DE4301927A1

DE4301927A1 -

Info

Publication number: DE4301927A1
Application number: DE4301927A
Authority: DE
Inventors: Nobuo Tsuno; Tomoyuki Fujii
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1992-01-24
Filing date: 1993-01-25
Publication date: 1993-09-23
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: US5543130A; JP3450023B2; JPH0624855A; GB2263430B8; DE4301927C2; GB2263430A; GB9301391D0; GB2263430B

Description

Die Erfindung betrifft einen verbundenen Metall-Keramik-Werk stoff oder ein verbundenes Metall-Keramik-Konstruktionsteil und ein Verfahren, durch das das Metall und die Keramik miteinander verbunden werden. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Werkstoff oder ein Konstruktionsteil, das aus einer Aluminium legierung und Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Spinell be steht, die miteinander verbunden sind, und ein Verfahren, durch das sie miteinander verbunden werden.

Wie in (1) der JP-A 60-71 597, (2) der JP-A 62-72 577 und (3) der JP-A 62-1 82 166 offenbart ist, wird das Verbinden von Aluminium oxid mit Metall herkömmlicherweise erreicht, indem zwischen die miteinander zu verbindenden Oberflächen des Aluminiumoxids und des Metalls ein dreischichtiger Einlagewerkstoff, der aus einem aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellten Kern werkstoff und aus einer Aluminium-Silicium-Matrixlegierung her gestellten Hautwerkstoffen besteht, eingesetzt wird und diese bei einer Temperatur, die nicht niedriger ist als der Solidus punkt der die Hautwerkstoffe bildenden Aluminium-Silicium-Ma trixlegierung, jedoch nicht höher ist als der Schmelzpunkt oder Soliduspunkt des Kernwerkstoffs, zusammengepreßt werden. Wie ebenfalls offenbart ist, kann die vorstehend erwähnte Al-Si- Matrixlegierung irgendeine gewünschte Al-Si-Mg-Legierung sein. Diesen herkömmlichen Verfahren ist nicht nur der Aufbau des an gewendeten Einlagewerkstoffs gemeinsam, sondern bei ihnen wird auch eine Verbindungstemperatur angewendet, die nicht niedri ger ist als der Soliduspunkt der Al-Si-Matrixlegierung, die die Hautschichten des Einlagewerkstoffs bildet.

Außerdem wird in der JP-A 60-71 597 die Lehre erteilt, daß für die Hautschichten des dreischichtigen Einlagewerkstoffs aus dem Grund eine Al-Si-Mg-Legierung verwendet wird, weil Mg zur Ver besserung der Benetzbarkeit von Aluminiumoxid und Fe mit der Schmelze einer Al-Si-Matrixlegierung wirksam ist.

Bisher ist angenommen worden, daß solch ein Verbinden von Alu minium und Aluminiumoxid auf chemische Reaktionen wie z. B. die Reduktion von Aluminiumoxid oder darin enthaltenen Verunreini gungen durch eine Al-Schmelze oder auf mechanische Wirkungen, die z. B. durch eine Verankerungswirkung von Mikroporen an der Oberfläche von Aluminiumoxid verursacht werden, zurückzuführen ist, jedoch scheinen diese Annahmen nicht zuzutreffen.

Wie vorstehend erwähnt wurde, ist ein plausibler Mechanismus dafür, wie das Verbinden stattfindet, noch nicht geklärt, je doch ist es aus irgendeinem Grund möglich, das Verbinden von Aluminiumoxid mit Metall durch herkömmliche Verfahren zu errei chen.

Es gibt jedoch einige Probleme, wenn das Verbinden von Alumini umoxid mit Metall bei einer Temperatur, die nicht niedriger ist als der Soliduspunkt der Al-Si-Matrixlegierung, die die Haut schichten des Einlagewerkstoffs bildet, durchgeführt wird, wie es bei dem vorstehend erwähnten Stand der Technik erfolgte. Der Einlagewerkstoff wird beispielsweise einer ungenügenden Steue rung bzw. Einstellung der Dicke unterzogen, so daß die Locke rung der thermischen Spannung, die wegen eines Unterschiedes zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminiumoxid und Metall auftritt, instabil gemacht wird. Außerdem reagiert eine Schmelze der Al-Si-Matrixlegierung, die die Hautschichten des Einlagewerkstoffs bildet, bei der Verbindungstemperatur di rekt mit der zu verbindenden Oberfläche des Metall-Bauelements, so daß zwischen der Al-Si-Matrixlegierung und dem Metall eine Schicht aus einer spröden intermetallischen Verbindung gebildet werden kann, die im übrigen bei dem Abkühlungsprozeß Mikrorisse verursachen kann, so daß keine luftundurchlässige Verbindungs grenzfläche geliefert wird. Ein Ansatz zur Lösung dieser Pro bleme besteht darin, daß die Dicke des Einlagewerkstoffs größer als 2 mm gemacht wird, wie es in der JP-A 62-72 577 dargelegt ist. Ein anderer Lösungsweg wird in der JP-A 62-1 82 166 vorge schlagen, bei der auf der zu verbindenden Oberfläche des Me talls eine Cr-Schicht oder eine hauptsächlich aus Cr bestehende Schicht bereitgestellt wird.

Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung, einen verbundenen Metall-Keramik-Werkstoff, der eine Verbindungsgrenzfläche mit einer ausgezeichneten Luftundurchlässigkeit hat, und ein einfa ches Verfahren zum Miteinanderverbinden des Metalls und der Ke ramik bereitzustellen, um unter anderem einen verbundenen Me tall-Aluminiumoxid-Werkstoff und ein Verfahren zum Miteinander verbinden des Metalls und des Aluminiumoxids bereitzustellen, und eine Metall-Keramik-Verbundkonstruktion bereitzustellen, bei der der verbundene Metall-Aluminiumoxid-Werkstoff ferner mit einem anderen Metallwerkstoff verbunden ist.

Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen verbundenen Me tall-Keramik-Werkstoff, der eine Verbindungsgrenzfläche mit ei ner hohen Festigkeit und einer ausgezeichneten Luftundurchläs sigkeit hat, und ein einfaches Verfahren zum Miteinanderverbin den des Metalls und der Keramik bereitzustellen, um unter ande rem einen verbundenen Metall-Magnesiumoxid- oder Metall-Spi nell-Werkstoff und ein Verfahren zum Miteinanderverbinden des Metalls und des Magnesiumoxids oder Spinells bereitzustellen, und eine Metall-Keramik-Verbundkonstruktion bereitzustellen, bei der der verbundene Metall-Magnesiumoxid- oder Metall-Spi nell-Werkstoff ferner mit einem anderen Metallwerkstoff verbun den ist.

Wenn das Verbinden von Aluminiumoxid mit Metall als Beispiel herangezogen wird, ist der erfindungsgemäße verbundene Metall- Keramik-Werkstoff dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbin dungsgrenzfläche eines Aluminiumoxid-Bauelements und eines me tallischen Bauelements eine Reaktionsschicht vorhanden ist, die (1) Spinell (MgO·Al₂O₃) oder (2) Spinell und mindestens eine Substanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O ausgewählt ist, enthält. In diesem Fall besteht mindestens die mit Aluminiumoxid zu ver bindende Oberfläche des metallischen Bauelements aus einer Ma gnesium enthaltenden Legierung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines ver bundenen Metall-Keramik-Werkstoffs wird ein Aluminiumoxid-Bau element zusammen mit einem metallischen Bauelement, von dem mindestens die mit dem Aluminiumoxid-Bauelement zu verbindende Oberfläche aus einer Magnesium enthaltenden Legierungsschicht hergestellt ist, erhitzt und bei einer Temperatur gehalten, die nicht höher ist als der Soliduspunkt der Legierungsschicht, während das metallische Bauelement mit der Oberfläche des Alu miniumoxid-Bauelements in Kontakt kommt, und sie werden dann zusammengepreßt, wodurch an der Verbindungsgrenzfläche der Le gierungsschicht und des Aluminiumoxid-Bauelements eine Reakti onsschicht gebildet wird, die Spinell (MgO·Al₂O₃) oder Spinell und mindestens eine Substanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O aus gewählt ist, enthält.

Bei der erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Verbundkonstruktion sind ein Aluminiumoxid-Bauelement und ein metallisches Bauele ment miteinander an ihrer Verbindungsgrenzfläche durch eine Re aktionsschicht, die Spinell (MgO·Al₂O₃) oder Spinell und min destens eine Substanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O ausgewählt ist, enthält, verbunden, und der auf diese Weise verbundene Me tall-Keramik-Werkstoffist durch das metallische Bauelement mit einem anderen Metallwerkstoff verbunden.

Als metallisches Bauelement wird vorzugsweise ein dreischichti ger Aufbau verwendet, der eine Kernschicht, die aus einer Mg enthaltenden Legierung, einer Mg enthaltenden Al-Legierung oder reinem Al besteht, und Oberflächenschichten, von denen jede aus einer Mg enthaltenden Al-Legierung besteht, aufweist. Die Mg enthaltende Al-Legierung ist vorzugsweise eine Al-Si-Mg-Legie rung.

Der vorstehend erwähnte andere Metallwerkstoff kann ein Metall sein, das für den Zweck geeignet ist, für den die erfindungsge mäße Verbundkonstruktion verwendet wird, und das Verbinden des metallischen Bauelements mit dem anderen Metall kann durch me tallurgische Verbindungsverfahren wie z . B. Diffusionsverbinden, Schweißen und Hartlöten, mechanische Verbindungsverfahren wie z. B. Preßpassung oder irgendeine gewünschte Kombination davon erreicht werden.

Der "Spinell", der die Reaktionsschicht bildet, die an der Ver bindungsgrenzfläche zwischen dem Aluminiumoxid-Bauelement und dem metallischen Bauelement, die den erfindungsgemäßen verbun denen Metall-Keramik-Werkstoff bilden, gebildet wird, ist im allgemeinen ein Doppeloxid mit der chemischen Formel MgAl₂O₄. Es wird jedoch bemerkt, daß für die Erfindung nicht nur dieses Doppeloxid, sondern auch Verbindungen, die in bezug auf den An teil von Mg, Al und O von dieser Zusammensetzung abweichen, und feste Lösungen bzw. Mischkristalle dieser Verbindungen mit Mg, Al und mindestens einer unvermeidbaren Verunreinigung verwendet werden können.

Wenn das Aluminiumoxid-Bauelement und das metallische Bauele ment mit einer zwischen ihnen angeordneten Mg enthaltenden Le gierung auf die Verbindungstemperatur erhitzt werden, diffun diert das Mg während des Erhitzens auf und über die Oberfläche der Mg enthaltenden Legierung, so daß sich das Mg an dieser Oberfläche konzentrieren kann. Dann kann das Mg in der Oberflä chenschicht dieser Legierung bei einer Temperatur, die nicht höher ist als der Schmelzpunkt dieser Legierung, mit dem Alumi niumoxid-Bauelement reagieren, so daß der vorstehend erwähnte Spinell gebildet wird. Es ist in diesem Fall erwünscht, daß der Spinell überall in der Verbindungsgrenzfläche zwischen dieser Legierung und Aluminiumoxid gebildet wird. Es ist jedoch klar, daß solch ein Spinell zusätzlich Al₂O₃, MgO und Al in Form ei ner Mischung enthalten kann.

Nun wird die Anwendung der Erfindung auf das Verbinden von Ma gnesiumoxid oder Spinell mit Metall erläutert.

Das Magnesiumoxid- oder Spinell-Bauelement und das metallische Bauelement, die erfindungsgemäß verbunden sind, sind dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem metallischen Bauelement und dem Magnesiumoxid- oder Spinell-Bauelement eine Reaktions schicht vorhanden ist, die Spinell (MgO·Al₂O₃) und mindestens eine Substanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O ausgewählt ist, enthält.

Das vorstehend erwähnte metallische Bauelement kann beispiels weise reines Al oder eine Al-Legierung sein und ist z. B. min destens an der Oberfläche, die mit Magnesiumoxid oder Spinell zu verbinden ist, mit einer Schicht aus reinem Al oder einer Al-Legierung versehen. Es ist in diesem Fall erwünscht, daß das metallische Bauelement ein dreischichtiger Aufbau ist, der eine Kernschicht, die aus reinem Al besteht, und Oberflächenschich ten aus reinem Al oder einer Al-Legierung aufweist, von denen jede vorher mindestens an der Oberfläche, die mit Magnesium oxid oder Spinell zu verbinden ist, mit einem Oxidfilm versehen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines verbunde nen Metall-Keramik-Werkstoffs ist dadurch gekennzeichnet, daß, während die Oberfläche eines Magnesiumoxid- oder Spinell-Bau elements mit einem metallischen Bauelement, von dem mindestens die Oberfläche, die mit Magnesiumoxid oder Spinell zu verbinden ist, aus einer Schicht aus reinem Al oder einer Al-Legierung besteht, in Kontakt ist, beide Bauelemente in einer oxidieren den Atmosphäre und bei einer Temperatur, die nicht höher ist als der Soliduspunkt des reinen Al oder der Al-Legierung, er hitzt werden, um an ihren Oberflächen Oxidfilme zu bilden, und dann zusammengepreßt werden, wodurch an der Verbindungsgrenz fläche der Schicht aus reinem Al oder einer Al-Legierung und des Magnesiumoxid- oder Spinell-Bauelements eine Reaktions schicht gebildet wird, die Spinell (MgO·Al₂O₃) und mindestens eine Substanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O ausgewählt ist, enthält. Der Oxidfilm besteht in diesem Fall vorzugsweise aus Aluminiumoxid. Das vorstehend soeben erwähnte metallische Bau element kann beispielsweise reines Al oder eine Al-Legierung sein. Es wird bemerkt, daß das metallische Bauelement bei der Erfindung vorzugsweise ein dreischichtiger Aufbau ist, der bei spielsweise aus einer Kernwerkstoffschicht aus reinem Al und Oberflächenschichten besteht, von denen jede mindestens an der Oberfläche, die mit Magnesiumoxid oder Spinell zu verbinden ist, mit reinem Al oder einer Al-Legierung versehen ist.

Das metallische Bauelement kann alternativ bereitgestellt wer den, indem reines Al oder eine Al-Legierung zur Bildung eines Oxidfilms an der zu verbindenden Oberfläche thermisch oder an ders vorbehandelt wird. Es wird bemerkt, daß die verwendete Verbindungsatmosphäre die Oberfläche des metallischen Bauele ments in diesem Fall nicht reduzieren darf.

Die erfindungsgemäße Metall-Keramik-Verbundkonstruktion ist da durch gekennzeichnet, daß ein Magnesiumoxid- oder Spinell-Bau element und ein metallisches Bauelement miteinander an ihrer Verbindungsgrenzfläche durch eine Reaktionsschicht, die Spinell (MgO·Al₂O₃) und mindestens eine Substanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O ausgewählt ist, enthält, unter Bildung eines verbunde nen Metall-Keramik-Werkstoffs verbunden werden und der verbun dene Metall-Keramik-Werkstoff dann durch das metallische Bau element mit einem anderen Metall verbunden wird. Hier wird be merkt, daß das metallische Bauelement, das mindestens mit dem Magnesiumoxid- oder Spinell-Bauelement verbunden wird, dadurch gekennzeichnet ist, daß es aus reinem Al oder einer Al-Legie rung besteht, und das andere Metall dadurch, daß es eine Al-Le gierung ist. Es wird auch bemerkt, daß das metallische Bauele ment vorzugsweise ein dreischichtiger Aufbau ist, der aus einer Kernwerkstoffschicht aus reinem Al und Oberflächenschichten be steht, von denen mindestens die Seite, die mit Magnesiumoxid oder Spinell zu verbinden ist, mit reinem Al oder einer Al-Le gierung versehen ist, wobei das andere Metall beispielsweise eine Al-Legierung ist.

Bei einem bestimmten Beispiel des erfindungsgemäßen verbundenen Metall-Keramik-Werkstoffs, d. h. bei einem verbundenen Metall- Aluminiumoxid-Werkstoff, wird an der Verbindungsgrenzfläche durch die chemische Reaktion zwischen Al₂O₃ und MgO Spinell (MgO·Al₂O₃) gebildet, wodurch zwischen Aluminiumoxid und dem Metall eine chemische Bindung erzielt wird. Als Al₂O₃ zur Bil dung dieses Spinells wird ein Bestandteil von Aluminiumoxid selbst, das ein zu verbindendes Bauteil ist, verwendet. Als MgO, das ein anderer Bestandteil des Spinells ist, wird MgO verwendet, das durch die reduzierende Reaktion von in der Le gierung enthaltenem Mg mit Aluminiumoxid erzeugt wird. Zur För derung dieser reduzierenden Reaktion wird das Mg in der Mg ent haltenden Legierung in einer nichtoxidierenden Atmosphäre er hitzt, damit sich Mg an der Oberfläche der Legierung konzen trieren kann. Die Reaktion zwischen Al₂O₃ und Mg und MgO findet statt, indem die Mg enthaltende Legierung, an deren Oberfläche sich Mg konzentriert hat, mit der Oberfläche des Aluminiumoxids in Kontakt gebracht wird und diese zusammengepreßt werden. Es wird bemerkt, daß die verwendete nichtoxidierende Atmosphäre Vakuum, Stickstoff, ein Inertgas usw. sein kann.

Das Verbinden sollte vorzugsweise bei einer Temperatur durchge führt werden, die so hoch wie möglich ist, bei der jedoch die Mg enthaltende Legierung nicht schmilzt. Bei einer Temperatur, bei der die Mg enthaltende Legierung schmilzt, löst sich das Mg, das sich an der Oberfläche dieser Legierung konzentriert hat, wieder darin auf oder verdampft, so daß seine Konzentrati on abnimmt, was zu einer Verminderung seiner Reaktivität mit Aluminiumoxid führt. Außerdem kommen Al und Si, die in der Le gierungsschmelze enthalten sind, mit der Oberfläche des Alumini umoxids in Kontakt und verursachen eine Behinderung des direk ten Kontakts zwischen Aluminiumoxid und Mg.

Bei der Erfindung wird an der Verbindungsgrenzfläche des Alumi niumoxid-Bauelements und des metallischen Bauelements, das die Mg enthaltende Legierung aufweist, eine Reaktionsschicht gebil det, die hauptsächlich aus Spinell besteht, wodurch eine Bin dung zwischen Aluminiumoxid und der Mg enthaltenden Legierung erzielt wird. Ein Grund dafür ist, daß Spinell nicht nur che misch stabil ist und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständig keit zeigt, sondern auch einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der in der Nähe des Wärmeausdehnungskoeffizienten von Alu miniumoxid liegt, wie in Tabelle 1 gezeigt ist. Ein weiterer Grund ist, daß Spinell in einem verhältnismäßig weiten Zusam mensetzungsbereich eine feste Lösung bzw. einen Mischkristall bildet, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist.

Tabelle 1

Für die Oxide wurden die Meßwerte bei 20 bis 1000°C erhalten, und für Al wurden die Meßwerte bei 20 bis 400°C erhalten.

Wie schon erwähnt wurde, ist es vorzuziehen, daß die an der Verbindungsgrenzfläche des Aluminiumoxid-Bauelements und des metallischen Bauelements gebildete Reaktionsschicht einen Wär meausdehnungskoeffizienten hat, der in der Nähe des Wärmeaus dehnungskoeffizienten von Aluminiumoxid liegt, weil dies bedeu tet, daß die thermische Spannung, die an der Grenzfläche der Reaktionsschicht und des Aluminiumoxids auftritt, gering ist; d. h., die resultierende Verbindungsgrenzfläche ist gut genug. Es ist auch vorzuziehen, daß die Reaktionsschicht eine feste Lösung bzw. einen Mischkristall bildet, dessen Zusammensetzung sehr verschieden sein kann, weil dies bedeutet, daß die ge wünschte Reaktionsschicht auch in dem Fall leicht auftritt, daß das Verhältnis von MgO und Al₂O₃, die miteinander reagieren, eine gewisse Abweichung zeigt.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen verbundenen Metall- Keramik-Werkstoffs ist es eine Frage der Auswahl, welcher Me tallwerkstoff das metallische Bauelement oder mindestens die mit Aluminiumoxid zu verbindende Oberflächenschicht des metal lischen Bauelements bildet, und die Auswahl kann getroffen wer den, während der Schmelzpunkt, die Härte, die Korrosionsbestän digkeit usw. des Metallwerkstoffs in Abhängigkeit davon, zu welchem Zweck er verwendet wird, der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Legierung und des Keramik- Bauelements und Umgebungsbedingungen wie z. B. die Temperatur- und Atmosphärenbedingungen, bei denen der Metallwerkstoff ver wendet wird, berücksichtigt werden. Es ist jedoch vorzuziehen, einen Metallwerkstoff zu verwenden, der ein Oxid erzeugt, des sen freie Energie bei Standardbedingungen größer ist als die von MgO. Ein Metallwerkstoff, dessen Oxid eine freie Energie bei Standardbedingungen hat, die kleiner ist als die von MgO, ist als Substrat oder als Zusatzstoff für das metallische Bau element nicht vorzuziehen, weil es früher als Mg oxidiert wird und auf der Oberfläche des metallischen Bauelements einen Oxid film bildet, wodurch eine Behinderung der Spinellbildung verur sacht wird. Besondere, jedoch nicht ausschließliche Beispiele für solche Metalle sind Ca, Be und Ce.

Wenn beispielsweise eine Verbundkonstruktion, die ein Alumini umoxid-Bauelement und ein metallisches Bauelement aus einer Al- Legierung enthält, hergestellt wird, indem sie gleichzeitig mit einem zwischen ihnen angeordneten metallischen Einlagewerkstoff aus einer Al-Legierung verbunden werden, ist es vorzuziehen, als Legierung, die den metallischen Einlagewerkstoff oder seine Oberflächenschichten bildet, eine Al-Matrixlegierung zu verwen den, deren Schmelzpunkt nicht höher ist als der Schmelzpunkt des metallischen Bauelements aus einer Al-Legierung. Der Grund dafür ist, daß die Verbindungstemperatur durch den Schmelzpunkt des metallischen Bauelements aus einer Al-Legierung begrenzt wird. Als von Mg verschiedene metallische Bestandteile, die ei ner solchen Al-Matrixlegierung zugesetzt werden, sollten vor zugsweise Elemente verwendet werden, die den Schmelzpunkt der Al-Matrixlegierung herabsetzen oder einen vorteilhaften Einfluß auf die Diffusion von Mg haben. Als Bestandteil, der der Al- Mg-Legierung zuzusetzen ist, ist Si vorzuziehen, weil es den Schmelzpunkt der Al-Matrixlegierung herabsetzt oder eine inter metallische Verbindung, d. h. Mg₂Si, bildet, die einen vorteil haften Einfluß auf die Diffusion von Mg auf die Oberfläche der Legierung hat. Metallelemente, die von Mg verschieden sind, sich in der Al-Mg-Legierung jedoch ungefähr genauso wie Si ver halten, sind natürlich als zusätzliche Bestandteile wirksam.

Es wird bemerkt, daß gemäß der Erfindung das Verbinden des Ke ramik-Bauelements mit dem metallischen Bauelement gleichzeitig mit dem Verbinden des metallischen Bauelements mit dem Metall werkstoff geschieht. In diesem Fall wird das Verbinden des me tallischen Bauelements mit dem Metallwerkstoff durch das soge nannte Diffusionsverbinden durchgeführt, weil es bei einer Tem peratur eintritt, die nicht höher ist als der Schmelzpunkt des metallischen Bauelements. Wenn wegen des Auftretens einer sprö den intermetallischen Verbindung an der Verbindungsgrenzfläche des metallischen Bauelements und des Metallwerkstoffs ein ver bundener Werkstoff erhalten wird, der nicht gut genug ist, wird in diesem Fall durch Metallisieren der zu verbindenden Oberflä che des Metallwerkstoffs die Bildung einer solchen intermetal lischen Verbindung vermieden. Im Fall einer gewissen Kombinati on des metallischen Bauelements mit dem Metallwerkstoff, bei der gefunden wird, daß sie keinen erwünschten verbundenen Werk stoff liefert, ist es vorzuziehen, als metallisches Bauelement einen dreischichtigen Aufbau zu verwenden, wobei die mit dem Metallwerkstoff zu verbindende Oberflächenschicht des metalli schen Bauelements aus einer Legierung besteht, die mit dem Me tallwerkstoff gut verbindbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beige fügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Phasendiagramm von Al₂O·MgO, das zeigt, daß ein Spinell-Mischkristall bzw. eine feste Lösung von Spinell vorhanden ist;

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das die Reaktions schicht, die gemäß einem Beispiel der Erfindung die Verbin dungsgrenzfläche von Aluminiumoxid und der Mg enthaltenden Al- Legierung bildet, und die relativen Mengen der Bestandteile in der Nähe dieser Verbindungsgrenzfläche veranschaulicht;

Fig. 3 zeigt die Ergebnisse der ESCA-Messung der Oberfläche einer Legierung mit der Zusammensetzung Al - 10 Masse% Si - 1,5 Masse% Mg vor dem Erhitzen der Legierung auf die Verbindungs temperatur;

Fig. 4 zeigt die Ergebnisse der ESCA-Messung der Oberfläche einer Legierung mit der Zusammensetzung Al - 10 Masse% Si - 1,5 Masse% Mg nach dem Erhitzen der Legierung auf die Verbindungs temperatur;

Fig. 5 zeigt die Ergebnisse der ESCA-Messung der Verbindungs grenzfläche von Aluminiumoxid und einer Legierung mit der Zu sammensetzung Al - 10 Masse% Si - 1,5 Masse% Mg gemäß einem Beispiel der Erfindung;

Fig. 6 ist eine schematische Abbildung, die zeigt, wie Alumi nium in den Verbindungsschritten gemäß Versuchsbeispiel 4 der Erfindung mit Magnesiumoxid verbunden wird, und

Fig. 7 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Beziehung zwischen der Oxidfilmdicke und der Biegefestigkeit in Versuchs beispiel 4 der Erfindung zeigt.

BEISPIELE

Zunächst wurde bei einem Schnitt durch die Verbindungsgrenzflä che eines α-Aluminiumoxid-Bauelements und eines aus einer Mg enthaltenden Al-Legierung bestehenden metallischen Bauelements eine Analyse der Bestandteile durchgeführt. Es ist wie erwartet bestätigt worden, daß die Reaktionsschicht an der Verbindungs grenzfläche auftritt. Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das angefertigt wurde, indem die aus den erhaltenen Ergebnissen gefolgerten Bestandteile der an der Verbindungsgrenzschicht ge bildeten Reaktionsschicht zugrunde gelegt wurden.

Bei dem erfindungsgemäßen verbundenen Metall-Keramik-Werkstoff ist zwischen dem α-Aluminiumoxid-Keramik-Bauelement 31 und dem aus einer Mg enthaltenden Al-Legierung hergestellten metalli schen Bauelement 33 eine Reaktionsschicht 32 vorhanden, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Es wird angenommen, daß diese Reakti onsschicht aus Spinell (MgO·Al₂O₃), MgO, Al₂O₃ und Al besteht. Die Konzentration von Al in der Reaktionsschicht nimmt von der Oberfläche des metallischen Bauelements in Richtung auf die Oberfläche des Aluminiumoxids kontinuierlich ab. Die Konzentra tion von Al₂O₃ nimmt von der Oberfläche des Aluminiumoxids in Richtung auf die Oberfläche des metallischen Bauelements konti nuierlich ab, während Spinell und MgO überall in der Reaktions schicht eine gleichmäßige Konzentrationsverteilung haben.

Versuchsbeispiele 1 und 2

Nun wird unter Bezugnahme auf Versuchsbeispiele 1 und 2 ein Be weis erläutert, der zeigt, daß die Reaktionsschicht an der Ver bindungsgrenzfläche des Aluminiumoxid-Bauelements und des me tallischen Bauelements vorhanden ist.

Versuchsbeispiel 1 (zum Beweis, daß die Schicht aus konzen triertem MgO durch Erhitzen an der Oberfläche des metallischen Bauelements gebildet wird)

Beim Versuchsbeispiel 1 wurde ein aus einer Legierung mit der Zusammensetzung Al - 10 Masse% Si - 1,5 Masse% Mg bestehendes metallisches Bauelement in einer Vakuumatmosphäre von 10^-3 Pa bei 550°C erhitzt, d. h. bei einer Temperatur, die etwa 10°C niedriger ist als der Soliduspunkt bzw. die Soliduslinie der Legierung. Dann wurde die Zusammensetzung der Oberflächen schicht dieser Legierung zum Vergleich mit der Zusammensetzung der Oberflächenschicht vor dem Erhitzen durch Röntgen-Photo elektronen-Spektroskopie (nachstehend mit ESCA abgekürzt) ana lysiert. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 und Fig. 3 und 4 gezeigt. Die Analyse wurde mit einem ESCA-Gerät (ESCA- 1000, hergestellt durch Shimadzu Corporation) über einen Punkt mit einem Durchmesser von 0,6 mm bei 8 kV und 30 mA durchge führt. Eine Tiefenanalyse wurde durchgeführt, indem die Messung jedesmal wiederholt wurde, nachdem die Oberfläche durch Ionen ätzung in einem Tiefenbereich von 50 nm entfernt worden war.

Die Oberflächenzusammensetzungen, die vor und nach dem Erhitzen der Legierung gemessen wurden, sind in Tabelle 2 gezeigt, aus der ersichtlich ist, daß vor dem Erhitzen bei der Oberfläche der Legierung Al, Al₂O₃ und Si ermittelt werden, während nach dem Erhitzen bei der Oberfläche der Legierung nur MgO ermittelt wird.

Tabelle 2

In Fig. 3 sind die Ergebnisse der Konzentrationen von Al, Si, Mg und O gezeigt, die vor dem Erhitzen bei der Oberfläche der Legierung in der Tiefenrichtung gemessen wurden. Die in dieser Figur angegebene Ätzzeit bedeutet die Zeit, während der die Oberfläche der Probe durch Ionenätzung mit einer Rate von 10 nm pro Minute entfernt wird. In Fig. 3 sind die Ergebnisse der Probe gezeigt, die wiederholt bis zu einer Oberflächentiefe von 200 nm (0,2 µm) gemessen wurden, während die Probe durch Ionenätzung in einem Zeitintervall von 5 min entfernt wurde. Ebenso sind in Fig. 4 die Ergebnisse derselben Legierungsprobe gezeigt, die in ungefähr derselben Weise gemessen wurden, wobei die Probe jedoch in einer Vakuumatmosphäre von 10^-3 Pa auf 550°C, d. h. auf eine Temperatur, die etwa 10°C niedriger ist als der Soliduspunkt bzw. die Soliduslinie der Legierung, erhitzt und dann abgekühlt worden war. Die in Fig. 4 angegebenen Ergeb nisse zeigen den Oberflächenzustand des metallischen Bauele ments unmittelbar vor dem Zusammenpressen bei einer vorgegebe nen Verbindungstemperatur, wodurch der erfindungsgemäße verbun dene Metall-Keramik-Werkstoff erhalten wurde.

Wie aus dem Vergleich von Fig. 3 mit Fig. 4 ersichtlich ist, wird beobachtet, daß die Oberfläche der Legierung vor dem Er hitzen ein Al₂O₃-Maximum (siehe Fig. 3(A) und (D)) und ein Si- Maximum (siehe Fig. 3(B)) hat. Bei einer Oberflächentiefe von 50 nm wird beobachtet, daß Al₂O₃, Mg₂Si (siehe Fig. 3(C)) und Si Maxima haben. Die Maxima von Al, Mg₂Si (siehe Fig. 3(C)) und Si neigen dazu, mit zunehmender Tiefe schärfer zu werden. Ande rerseits wird beobachtet, daß die Oberfläche der Legierung nach dem Erhitzen nur ein MgO-Maximum hat (siehe Fig. 4(C)), während das Al₂O₃-Maximum verschwunden ist. Bei einer Oberflächentiefe von 50 nm werden Al- (Fig. 4(A)), MgO- und Mg₂Si-Maxima beob achtet. Das Al-Maximum neigt dazu, mit zunehmender Tiefe schär fer zu werden, jedoch wird das MgO-Maximum an der Oberfläche am schärfsten. Dies scheint darauf zurückzuführen zu sein, daß das Mg durch Erhitzen über die Al₂O₃-Oberfläche, die vor dem Erhit zen an der Oberfläche der Legierung vorhanden gewesen ist, hin aus diffundiert und das Al₂O₃ auf diese Weise unter Bildung ei ner MgO-Schicht reduziert. Im Fall der Legierung nach dem Er hitzen konnte auch in einer Oberflächentiefe von 200 nm kein Si ermittelt werden (siehe Fig. 4(B)).

Aus dem Beschriebenen geht hervor, daß im Fall des Erhitzens eines metallisches Bauelements, das aus der Legierung mit der Zusammensetzung Al - 10 Masse% Si - 1,5 Masse% Mg besteht, in einer Vakuumatmosphäre von 10^-3 Pa auf 550°C, d. h. auf eine Temperatur, die nicht höher ist als der Soliduspunkt dieser Le gierung, an der Oberfläche dieser Legierung eine konzentrierte MgO-Schicht gebildet wird. Wenn das metallische Bauelement und das Aluminiumoxid-Bauelement bei einer hohen Temperatur zusam mengepreßt werden, während die konzentrierte MgO-Schicht an der Oberfläche des metallischen Bauelements mit dem Aluminiumoxid- Bauelement in Kontakt ist, wodurch die Reaktion von MgO mit Aluminiumoxid hervorgerufen wird, ist es dann infolgedessen möglich, den erfindungsgemäßen verbundenen Metall-Keramik-Werk stoff zu erhalten. Es versteht sich, daß die Legierung, die durch Erhitzen so eine konzentrierte MgO-Schicht liefert, nicht auf die Legierung mit der Zusammensetzung Al - 10 Masse% Si -1,5 Masse% Mg eingeschränkt ist, und dies wird den Fachleuten klar sein, wenn darauf geachtet wird, ob eine Diffusion von Mg auf die Oberfläche einer von dieser Legierung verschiedenen Le gierung stattfindet.

Versuchsbeispiel 2 (Zusammensetzung der Reaktionsschicht an der Verbindungsgrenzfläche von Aluminiumoxid und einer Al-Si- Mg-Legierung)

Bei dem vorliegenden Beispiel wurden ein Aluminiumoxid-Rundstab mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Länge von 20 mm und eine Al-Mn-Legierungsscheibe mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Dicke von 0,8 mm zusammen mit einer zwischen ihnen angeordneten Legierungsfolie mit der Zusammensetzung Al - 10 Masse% Si - 1,5 Masse% Mg in einer Vakuumatmosphäre von 10^-3 Pa unter einem Druck von 39,2 N/mm² bei 550°C, d. h. bei einer Temperatur, die etwa 10°C niedriger ist als der Soliduspunkt dieser Legierungsfolie, zusammengepreßt, wodurch ein verbunde ner Verbundwerkstoff hergestellt wurde. Dann wurde untersucht, ob die an der Verbindungsgrenzfläche des Aluminiumoxids und der Legierungsfolie gebildete Reaktionsschicht eine Zusammensetzung hatte, wie sie bei der Erfindung gewünscht wird, oder nicht. Bei diesem Beispiel entsprechen der Aluminiumoxid-Rundstab, die Al-Mn-Legierungsscheibe und die Al-Si-Mg-Legierungsfolie dem Keramik-Bauelement, dem Metallwerkstoff bzw. dem metallischen Bauelement, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt wer den. Ferner entspricht der verbundene Verbundwerkstoff der Me tall-Keramik-Verbundkonstruktion, die in der vorliegenden Be schreibung erwähnt wird.

Anschließend wurde aus dem auf diese Weise erhaltenen verbunde nen Werkstoff in der Richtung parallel zu seiner Verbindungs grenzfläche ein Plattenteil mit einer Dicke von etwa 10 mm ein schließlich der Legierungsschicht mit der Zusammensetzung Al - 10 Masse% Si - 1,5 Masse% Mg und des Aluminiumoxidteils ausge schnitten und dann von der Seite der Legierungsschicht her me chanisch abgetragen, bis die Dicke dieser Legierung etwa 5 µm betrug, wodurch eine Probe hergestellt wurde. Die Zusammenset zung der Probe wurde dann durch ESCA bis zu einer Oberflächen tiefe von etwa 10 µm analysiert. Die Analyse folgte denselben Bedingungen wie bei Beispiel 1, außer daß durch Ionenätzung pro Messung etwa 250 nm entfernt wurden. Die Ergebnisse sind in Fig. 5 gezeigt.

Wie aus Fig. 5 klar ersichtlich ist, kann die Zusammensetzung der Probe in der Nähe der Verbindungsgrenzfläche in drei Zusam mensetzungszonen unterteilt werden.

(A) Zone mit einer Oberflächentiefe von etwa 2,5 µm

Diese Zone wird als die Al-Si-Mg-Legierungsschicht angesehen, weil Al, Si und Mg, die die Bestandteile der Al-Si-Mg-Legierung sind, ermittelt werden können.

(B) Zone mit einer Oberflächentiefe von etwa 2,5 bis etwa 5 µm

Diese Zone wird als die Reaktionsschicht der Al-Si-Mg-Legie rungsschicht mit Aluminiumoxid angesehen, weil Al₂0₃, Al, Mg und O ermittelt werden können. Bei dem Mg, das bei dieser Zone ermittelt wird, wird gefunden, daß sich die Lage des Energiema ximums mit zunehmender Tiefe von der Stelle des metallischen Mg zu der Seite mit hoher Energie, d. h. nahe zu der MgO-Stelle, verschiebt. Anders ausgedrückt, dies deutet darauf hin, daß ein solches Maximum nicht auf metallisches Mg zurückzuführen ist.

(C) Zone mit einer Oberflächentiefe von etwa 5 µm oder darüber

Diese Zone wird als die Aluminiumoxidschicht angesehen, weil sie nur aus Al₂O₃ und O besteht.

Zum Vergleich wurde die Lage des Energiemaximums eines Sinter spinellkörpers in derselben Weise wie vorstehend erwähnt gemes sen. Als Ergebnis wurde gefunden, daß sich diese Lage im we sentlichen an denselben Stellen wie Al₂O₃ und MgO befindet. Mit anderen Worten, es besteht die Möglichkeit, daß das Spinell-Ma ximum mit dem Al₂O₃-Maximum und dem Mg-Maximum, das sich zu der Seite mit hoher Energie verschiebt, die beide in der Zone (B) gemessen werden, überlappen kann.

Wie aus den vorstehend erwähnten Ergebnissen ersichtlich ist, ist bestätigt worden, daß an der Verbindungsgrenzfläche des Aluminiumoxids und der Al-Si-Mg-Legierungsschicht die Reakti onsschicht gebildet wird, die Spinell (MgO·Al₂O₃) oder Spinell und mindestens eine Substanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O aus gewählt ist, enthält.

Versuchsbeispiel 3 (um eine Wirkung auf die Verbesserung der Bindefestigkeit einer Verbundkonstruktion zu zeigen oder um zu zeigen, daß die Verbindungsgrenzfläche eines durch das erfin dungsgemäße Verfahren hergestellten verbundenen Werkstoffs eine ausgezeichnete Bindefestigkeit und Korrosionsbeständigkeit hat)

Bei dem vorliegenden Beispiel wurden die Bindefestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit eines durch das erfindungsgemäße Verfahren (Verbinden im festen Zustand) hergestellten verbunde nen Metall-Keramik-Werkstoffs mit denen eines durch ein her kömmliches Verfahren hergestellten verbundenen Werkstoffs ver glichen.

Zwei Aluminiumoxid-Rundstäbe, die jeweils einen Durchmesser von 12 mm und eine Länge von 20 mm hatten, wurden jeweils an einem Ende von zwei metallischen Bauelementen mit einem dreischichti gen Aufbau angeordnet, wobei eine Al-Mn-Legierungsscheibe mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Dicke von 0,8 mm an ihren beiden Seiten mit jeweils einer Rein-Al-Folie versehen war, die einen Durchmesser von 12 mm und eine Dicke von 0,5 mm hatte und ihrerseits an ihren beiden Seiten mit jeweils einer Legie rungsfolie mit der Zusammensetzung Al - 10 Masse% Si - 1,5 Mas se% Mg, die eine Dicke von 0,1 mm hatte, versehen war, so daß die Rein-Al-Folien mit ihren jeweils zwei Legierungsfolien zwei dreischichtige metallische Bauelemente bildeten. Auf diese Wei se wurde ein Aufbau hergestellt. Der Aufbau wurde auf eine Va kuumplatte aufgesetzt und dann in einer Vakuumatmosphäre von 10^-3 Pa unter einem Druck von 39,2 N/mm² bei 550°C, d. h. bei einer Temperatur, die etwa 10°C niedriger ist als der Solidus punkt der Al-Si-Mg-Legierung, zusammengepreßt, wodurch ein ver bundener Werkstoff (im festen Zustand verbunden) mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Länge von etwa 40 mm herge stellt wurde, der aus einem mittleren Bereich aus der Al-Mn-Le gierung und zwei Endbereichen aus Aluminiumoxid bestand. Zum Vergleich wurde ein verbundener Werkstoff (ein im flüssigen Zu stand verbundener Werkstoff; Vergleichsbeispiel 1) nach demsel ben Verfahren, das soeben vorstehend erwähnt wurde, herge stellt, außer daß das Verbinden bei 600°C stattfand, und wurde ein weiterer verbundener Werkstoff (ein im festen Zustand ver bundener Werkstoff; Vergleichsbeispiel 2) unter denselben Be dingungen, die soeben vorstehend erwähnt wurden, erhalten, au ßer daß ein metallisches Bauelement aus reinem Al bei einer Verbindungstemperatur von 600°C verwendet wurde. Aus jedem verbundenen Werkstoff wurde ein Prüfkörper für einen Vierpunkt- Biegeversuch ausgeschnitten, der die Abmessungen 3 mm×4 mm×40 mm hatte und aus einem mittleren Bereich aus der Al-Mn-Le gierung und zwei Endbereichen aus Aluminiumoxid bestand. Es wird bemerkt, daß der Aluminiumoxid-Rundstab, die Al-Mn-Legie rungsscheibe und das dreischichtige metallische Bauelement dem Keramik-Bauelement, dem Metallwerkstoff bzw. dem metallischen Bauelement entsprechen, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt werden.

Tabelle 3

In Tabelle 3 sind die Ergebnisse der bei diesen Prüfkörpern ge messenen Vierpunkt-Biegefestigkeiten aufgeführt. Bei den Prüf körpern des Beispiels und der Vergleichsbeispiele im Verbin dungszustand wurde in dem Aluminiumoxidbereich in der Nähe der Verbindungsgrenzfläche ein beträchtliches Zerbrechen festge stellt, so daß an der Verbindungsgrenzfläche des Aluminiumoxids und des metallischen Bauelements keine wahre Bindefestigkeit erhalten werden konnte. Es wurde jedoch gefunden, daß alle Prüfkörper eine höhere Biegefestigkeit als Aluminiumoxid hat ten. Zum Vergleich dieser verbundenen Werkstoffe in bezug auf die Korrosionsbeständigkeit ihrer Verbindungsgrenzfläche wurden daraus Prüfkörper hergestellt und dann 120 h lang in geschmol zenes, auf 430°C erhitztes Na eingetaucht, worauf ihre Vier punkt-Biegefestigkeiten ermittelt wurden. Das Ergebnis war, daß der Prüfkörper des Beispiels wie vor dem Eintauchen in Na in dem Aluminiumoxidbereich zerbrach; mit anderen Worten, es wur de keine Verschlechterung der Verbindungsgrenzfläche durch Na festgestellt. Im Gegensatz dazu zerbrach der Prüfkörper von Vergleichsbeispiel 1 durch eine Beanspruchung, die geringer war als die Biegefestigkeit von Aluminiumoxid. Das Zerbrechen war in diesem Fall an der Verbindungsgrenzfläche konzentriert, und dies bedeutet, daß sich die Verbindungsgrenzfläche gemäß Ver gleichsbeispiel 1 wegen Na in beträchtlichem Maße verschlech tert. Im Fall des Prüfkörpers von Vergleichsbeispiel 2 konnte seine Biegefestigkeit nicht ermittelt werden, weil sich die Bauteile während des Eintauchens in Na von der Verbindungs grenzfläche abschälten.

Diese Ergebnisse sind im Fall des erfindungsgemäßen verbundenen Werkstoffs darauf zurückzuführen, daß die Verbindungsgrenzflä che aus der Reaktionsschicht besteht, die durch geschmolzenes Na nicht angegriffen wird. Ein anderer Grund dafür, daß der er findungsgemäße verbundene Werkstoff nicht durch geschmolzenes Na angegriffen wird, ist, daß die Si-Teilchen, die in der Al- Si-Mg-Legierung enthalten sind und zwischen Aluminiumoxid und der Al-Mn-Legierung eine verbundene Schicht bilden, überall in der Al-Matrix in einer diskreten, unabhängigen Form dispergiert sind, weil der verbundene Werkstoff durch Verbinden im festen Zustand hergestellt wird. Bei dem verbundenen Werkstoff von Vergleichsbeispiel 1 ist im Gegensatz dazu in der Verbindungs grenzfläche des Aluminiumoxids und der Al-Si-Mg-Legierung eine Anzahl von Si-Teilchen vorhanden, die wahrscheinlich durch den Angriff von geschmolzenem Na korrodiert werden, was darauf zu rückzuführen ist, daß das Verbinden bei einer Temperatur statt gefunden hat, die den Schmelzpunkt der Al-Si-Mg-Legierung über schreitet. Außerdem ist der verbundene Werkstoff von Ver gleichsbeispiel 1 in einer kontinuierlichen Form wie bei Den driten vorhanden, weil die Si-Teilchen, sobald sie geschmolzen sind, aus der Lösung auskristallisieren, wenn sie erstarrt. Aus diesem Grund wird erwartet, daß der verbundene Werkstoff von Vergleichsbeispiel 1 eine Verbindungsgrenzfläche hat, die in bezug auf die Korrosionsbeständigkeit gegen geschmolzenes Na schlechter ist. Desgleichen wird erwartet, daß der verbundene Werkstoff von Vergleichsbeispiel 2 eine Verbindungsgrenzfläche hat, die in bezug auf die Korrosionsbeständigkeit gegen ge schmolzenes Na viel schlechter ist, weil sich die Reaktions schicht, die zwischen dem Aluminiumoxid und dem metallischen Bauelement gebildet wird, von der erfindungsgemäßen Reaktions schicht unterscheidet.

Versuchsbeispiel 4

Bei dem vorliegenden Beispiel wurden auf der Oberfläche von me tallischem Aluminium durch verschiedene Verfahren Aluminium oxidfilme gebildet und dann auf ihren Oberflächen mit Magnesi umoxid (MgO) versehen, worauf zum Verbinden ein Zusammenpressen im Vakuum bei 550°C unter einem Druck von 39,2 N/mm² folgte. Dies ist in Fig. 6 schematisch veranschaulicht. Fig. 6(A) ver anschaulicht, wie der Oxidfilm gebildet wird; Fig. 6(B) veran schaulicht die Reaktion, durch die während des Verbindens Spi nell gebildet wird; und Fig. 6(C) veranschaulicht den Zustand der Verbindungsgrenzfläche nach dem Verbinden.

Durch Experimentieren wurde die Beziehung zwischen der Dicke der Aluminiumoxidfilme und der Biegefestigkeit der verbundenen Aluminium-Magnesiumoxid-Werkstoffe untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 7 und Tabelle 4 gezeigt.

Tabelle 4

In Fig. 7 bezeichnen die Zahlen die Versuchs-Nrn., die in Ta belle 4 erwähnt sind; zeigt, daß das Zerbrechen in der Kera mik stattfindet; zeigt, daß unklar ist, wo das Zerbrechen stattfindet, und ⚫ zeigt, daß das Zerbrechen in der Verbin dungsgrenzfläche stattfindet.

Bei den Versuchs-Nrn. 1 bis 9, die in Tabelle 4 erwähnt sind, werden die Biegefestigkeiten von Prüfkörpern gezeigt, die an den Oberflächen mit Oxidfilmen versehen sind, die unter den in der Tabelle angegebenen Bedingungen der Atmosphäre, der Tem peratur und der Haltezeit gebildet wurden. Bei Versuchs-Nr. 10 ist die Biegefestigkeit eines Prüfkörpers gezeigt, der nicht thermisch behandelt wurde.

Wie aus Fig. 7 und Tabelle 4 ersichtlich ist, zeigen die ther misch behandelten Prüfkörper (Versuchs-Nrn. 1 bis 9) eine rela tive Zunahme der Biegefestigkeit, weil durch die Reaktion der Oxidfilme auf der Oberfläche des Aluminiums mit MgO die Spi nellschichten gebildet worden sind. Zunahmen der Biegefestig keit sind mit einer Zunahme der Oxidfilmdicke verbunden, und es wird angenommen, daß ein Zerbrechen der Keramik auf eine Zunah me der Dicke der Spinell-Reaktionsschicht zurückzuführen ist.

Versuchsbeispiel 5

Verschiedene Kombinationen von Keramik-Bauelementen, die aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Aluminiumoxid mit einer Spi nellschicht an der zu verbindenden Seite bestanden, und von me tallischen Bauelementen, die aus reinem Aluminium und Al-Si-Mg- Legierungen bestanden, wurden in Vakuum- und Luft-Verbindungs atmosphären miteinander verbunden. Es wird bemerkt, daß die Verbindungstemperatur und der Verbindungsdruck konstant bei 550 °C bzw. 39,2 N/mm² gehalten wurden.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Tabelle 5

Wie aus Tabelle 5 ersichtlich ist, ist in dem Fall, daß die Filme, die an den miteinander zu verbindenden Oberflächen des Keramik-Bauelements und des metallischen Bauelements gebildet werden, aus verschiedenen Substanzen (z. B. Spinell und Al₂O₃) bestehen, ein Verbinden möglich, weil eine Reaktionsschicht ge bildet wird, die Spinell oder Spinell und mindestens eine Sub stanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O ausgewählt ist, enthält.

Gemäß der Erfindung, die vorstehend beschrieben worden ist, ist es möglich, einen verbundenen Werkstoff zu erhalten, bei dem die Verbindungsgrenzfläche eine Festigkeit hat, die höher ist als die Biegefestigkeit von Aluminiumoxid-Keramik, und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit gegen den Angriff von geschmolzenem Na zeigt. Somit können auf einfache Weise Teile, die auf Gebieten der chemischen Industrie, wo geschmolzenes Na trium gehandhabt wird, angewendet werden, oder Teile für Natri um-Schwefel-Batterien erhalten werden.

Claims

1. Verbundener Metall-Keramik-Werkstoff, dadurch gekennzeich net, daß er aus einem Aluminiumoxid-Bauelement und einem metal lischen Bauelement besteht, wobei zwischen dem metallischen Bauelement und dem Aluminiumoxid-Bauelement eine Reaktions schicht vorhanden ist, die Spinell oder Spinell und mindestens eine Substanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O ausgewählt ist, enthält.

2. Verbundener Metall-Keramik-Werkstoff nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das metallische Bauelement eine Ma gnesium enthaltende Legierung ist.

3. Verbundener Metall-Keramik-Werkstoff nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß mindestens die mit Aluminiumoxid zu verbindende Oberfläche des metallischen Bauelements aus einer Magnesium enthaltenden Aluminiumlegierungsschicht besteht.

4. Verbundener Metall-Keramik-Werkstoff nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das metallische Bauelement ein drei schichtiger Aufbau ist, der aus einer Kernwerkstoffschicht aus reinem Aluminium und Oberflächenschichten besteht, wobei die Kernwerkstoffschicht mindestens an der mit Aluminiumoxid zu verbindenden Oberfläche mit einer Al-Si-Mg-Matrixlegierung ver sehen ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines verbundenen Metall-Keramik- Werkstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß, während die Oberfläche eines Aluminiumoxid-Bauelements mit einem metallischen Bauele ment, wobei bei dem metallischen Bauelement mindestens die Oberfläche, die mit Aluminiumoxid zu verbinden ist, aus einer Magnesium enthaltenden Legierungsschicht besteht, in Kontakt ist, die Bauelemente bei einer Temperatur, die so hoch wie oder niedriger als der Soliduspunkt der Legierungsschicht ist, er hitzt werden und zusammengepreßt werden, wodurch an der Verbin dungsgrenzfläche der Legierungsschicht und des Aluminiumoxid- Bauelements eine Reaktionsschicht gebildet wird, die Spinell oder Spinell und mindestens eine Substanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O ausgewählt ist, enthält.

6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß das metallische Bauelement aus einer Magnesium enthal tenden Aluminiumlegierung besteht.

7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß das metallische Bauelement ein dreischichtiger Aufbau ist, der aus einer Kernwerkstoffschicht aus reinem Aluminium und Oberflächenschichten besteht, wobei die Kernwerkstoff schicht mindestens an der mit Aluminiumoxid zu verbindenden Oberfläche mit einer Al-Si-Mg-Matrixlegierung versehen ist.

8. Verbundene Metall-Keramik-Verbundkonstruktion, gekennzeich net durch einen verbundenen Metall-Keramik-Werkstoff, bei dem ein Aluminiumoxid-Bauelement und ein metallisches Bauelement miteinander an ihrer Verbindungsgrenzfläche durch eine Reakti onsschicht, die Spinell oder Spinell und mindestens eine Sub stanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O ausgewählt ist, enthält, verbunden sind, wobei der verbundene Metall-Keramik-Werkstoff durch das metallische Bauelement mit einem Metallwerkstoff ver bunden ist.

9. Verbundene Metall-Keramik-Verbundkonstruktion nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die mit dem Alumini umoxid-Bauelement zu verbindende Oberfläche des metallischen Bauelements eine Magnesium enthaltende Legierung ist und der Metallwerkstoff eine Aluminiumlegierung ist.

10. Verbundene Metall-Keramik-Verbundkonstruktion nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Bauelement ein dreischichtiger Aufbau ist, der aus einer Kernwerkstoffschicht aus reinem Aluminium und Oberflächenschichten besteht, wobei die Kernwerkstoffschicht mindestens an der mit Aluminiumoxid zu verbindenden Oberfläche mit einer Al-Si-Mg-Matrixlegierung ver sehen ist, und der Metallwerkstoff eine Aluminiumlegierung ist.

11. Verbundener Metall-Keramik-Werkstoff, dadurch gekennzeich net, daß er aus einem Magnesiumoxid- oder Spinell-Bauelement und einem metallischen Bauelement besteht, wobei zwischen dem metallischen Bauelement und dem Magnesiumoxid- oder Spinell- Bauelement eine Reaktionsschicht vorhanden ist, die Spinell oder Spinell und mindestens eine Substanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O ausgewählt ist, enthält.

12. Verbundener Metall-Keramik-Werkstoff nach Anspruch 11, da durch gekennzeichnet, daß das metallische Bauelement reines Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.

13. Verbundener Metall-Keramik-Werkstoff nach Anspruch 11, da durch gekennzeichnet, daß mindestens die mit dem Magnesiumoxid- oder Spinell-Bauelement zu verbindende Oberfläche des metalli schen Bauelements aus reinem Aluminium oder einer Aluminiumle gierung mit einem oder ohne einen auf ihrer Oberfläche gebilde ten Oxidfilm besteht.

14. Verbundener Metall-Keramik-Werkstoff nach Anspruch 11, da durch gekennzeichnet, daß das metallische Bauelement ein drei schichtiger Aufbau ist, der aus einer Kernwerkstoffschicht aus reinem Aluminium und Oberflächenschichten besteht, wobei die Kernwerkstoffschicht mindestens an der mit Magnesiumoxid oder Spinell zu verbindenden Oberfläche mit reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung versehen ist.

15. Verfahren zur Herstellung eines verbundenen Metall-Keramik- Werkstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß, während die Oberfläche eines Magnesiumoxid- oder Spinell-Bauelements mit einem metal lischen Bauelement, bei dem mindestens die Oberfläche, die mit Magnesiumoxid oder Spinell zu verbinden ist, aus reinem Al oder einer Aluminiumlegierung mit einem oder ohne einen auf ihrer Oberfläche gebildeten Oxidfilm besteht, in Kontakt ist, die Bauelemente bei einer Temperatur, die so hoch wie oder niedri ger als der Soliduspunkt des reinen Aluminiums oder der Alumi niumlegierung ist, erhitzt werden und zusammengepreßt werden, wodurch an der Verbindungsgrenzfläche des reinem Aluminiums oder der Aluminiumlegierung mit einem oder ohne einen auf ihrer Oberfläche gebildeten Oxidfilm und des Magnesiumoxid- oder Spi nell-Bauelements eine Reaktionsschicht gebildet wird, die Spi nell oder Spinell und mindestens eine Substanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O ausgewählt ist, enthält.

16. Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß das metallische Bauelement aus reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

17. Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß das metallische Bauelement ein dreischichtiger Aufbau ist, der aus einer Kernwerkstoffschicht aus reinem Alu minium und Oberflächenschichten besteht, wobei die Kernwerk stoffschicht mindestens an der mit Aluminiumoxid zu verbinden den Oberfläche mit reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegie rung versehen ist.

18. Verbundene Metall-Keramik-Verbundkonstruktion, gekennzeich net durch einen verbundenen Metall-Keramik-Werkstoff, bei dem ein Magnesiumoxid- oder Spinell-Bauelement und ein metallisches Bauelement miteinander an ihrer Verbindungsgrenzfläche durch eine Reaktionsschicht, die Spinell oder Spinell und mindestens eine Substanz, die aus Al₂O₃, MgO, Al und O ausgewählt ist, enthält, verbunden sind, wobei der verbundene Metall-Keramik- Werkstoff durch das metallische Bauelement mit einem Metall werkstoff verbunden ist.

19. Verbundene Metall-Keramik-Verbundkonstruktion nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die mit dem Magnesi umoxid- oder Spinell-Bauelement zu verbindende Oberfläche des metallischen Bauelements reines Aluminium oder eine Aluminium legierung mit einem oder ohne einen auf ihrer Oberfläche gebil deten Oxidfilm ist und der Metallwerkstoff eine Aluminiumlegie rung ist.

20. Verbundene Metall-Keramik-Verbundkonstruktion nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Bauelement ein dreischichtiger Aufbau ist, der aus einer Kernwerkstoffschicht aus reinem Aluminium und Oberflächenschichten besteht, wobei die Kernwerkstoffschicht mindestens an der mit Magnesiumoxid oder Spinell zu verbindenden Oberfläche mit reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung versehen ist, und der Metallwerk stoff eine Aluminiumlegierung ist.