DE4443398A1 - Verfahren zur Herstellung einer Metallisierung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Metallisierung von keramischen Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1.

Solche Verfahren werden beispielsweise dazu verwendet, keramische Bauteile aus gesintertem oder rekristallisiertem Siliziumcarbid mit einem anderen Bauteil aus dem gleichen oder einem anderen ke­ ramischen bzw. metallischen Werkstoff dauerhaft zu verbinden. Bis jetzt werden zur Verbindung solcher Bauteile vor allem Aktivlote auf der Basis von Gold verwenden. Werkstücke, die durch das Ver­ löten von Bauteilen aus Siliziumcarbid mit anderen Bauteilen un­ ter Verwendung solcher Aktivlote gefertigt sind, können nur in einem Temperaturbereich bis 600°C über längere Zeit genutzt wer­ den. Beim Betriebstemperaturen, die zwischen 900°C und 1000°C liegen, kommt es bereits nach 24 Stunden zur Zerstörung einer solchen Verbindung infolge von Flüssigphasenbildung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzu­ zeigen, mit dem Bauteile aus Siliziumcarbid mit Bauteilen aus an­ deren Werkstoffen so verbunden werden können, daß diese Verbin­ dung auch bei Temperaturen zwischen 900°C und 1000°C dauerhaft beständig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent­ anspruches 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche des aus Siliziumcarbid gefertigten Bauteils zunächst metallisiert. Die Metallisierung erfolgt mit einer speziellen hierfür hergestellten Paste. Für die Herstellung der Paste wird eine für die Metalli­ sierungen käufliche Pastengrundlage verwendet. In die Pasten­ grundlage wird ein Gemisch aus einem metallischen Pulver einge­ rührt. Falls erforderlich, kann der Pastengrundlage zusätzlich eine definierte Menge an Lösungsmittel in Form von Glykolether beigemischt werden. Das ist dann der Fall, wenn die Paste nach dem Beimischen des metallischen Pulvers noch nicht die Konsistenz aufweist, die erforderlich ist, damit die Paste auf die Oberflä­ che des Bauteils mittels Siebdruck aufgebracht oder aufgestrichen werden kann. Das pulverförmige Gemisch, das in die Pastengrund­ lage eingerührt wird, besteht vorzugsweise aus Wolframcarbid und Kobalt in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis. Um die Haft­ festigkeit der sich bei der Metallisierung bildenden Beschichtung zu verbessern, wird dem pulverförmigen Gemisch aus Wolframcarbid und Kobalt eine definierte Menge einer pulverförmigen Verbindung begemischt, die Molybdän enthält. Es kann hierfür beispielsweise Molybdänoxid oder Phosphormolybdänsäure-Ammoniumsalz-Hydrat ver­ wendet werden. Die Menge der verwendeten Molybdän haltigen Verbindung ist abhängig von der verwendeten Menge an Metallcarbid und Metall. Die Teilchengröße des Metallcarbids und des Metalls ist kleiner als 100 µm. Das verwendete Wolframcarbid hat vorzugs­ weise eine Teilchengröße von 1 µm, während die Teilchengröße von Kobalt 1,6 µm beträgt. Die Molybdän haltige Verbindung hat eine Teilchengröße von 1 µm. In dem Pulvergemisch, das der Pastengrundlage beigemischt wird, kann das Kobalt auch durch Nickel und Chrom ersetzt werden. Ein Überzug 2 mit den gleichen Eigenschaften kann auch erzielt werden, wenn an Stelle von Wol­ framcarbid und Kobalt Chromcarbid und Nickel oder Wolframcarbid, Nickel und Chrom verwendet werden. Der Zusatz einer Molybdän hal­ tigen Verbindung ist immer erforderlich. Die obenbeschriebene Paste wird auf das aus Siliziumcarbid gefertigte Bauteil aufge­ tragen, und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen. Der sich aus der Paste während der Wärmebehandlung bildende Überzug bzw. die Beschichtung ist sehr fest mit dem Bauteil verbunden. Selbst Temperatureinwirkungen von 1000°C und Langzeitbelastungen bewirken keine Ablösung. Der Überzug weist zusätzlich den Vorteil auf, daß er porös ist, und auch auf seiner Oberfläche offene Poren aufweist. Bauteile aus anderen Werkstoffen können nun mit dem aus Siliziumcarbid gefertigten Bauteil über ein Lot verbunden werden. Vorzugsweise wird hierfür ein Lot verwendet, das Nickel oder Palladium enthält. Beim Verlöten der Bauteile dringt das Lot in die offenen Poren auf der Oberfläche des Überzugs ein. Hier­ durch kommt eine dauerhaft Verbindung zwischen dem Lot und dem Überzug zustande. Eine ebenso gute Verbindung wird zwischen dem zweiten Bauteil und dem Lot geschaffen. Mit Hilfe des erfindungs­ gemäßen Verfahrens ist es möglich, Bauteile aus Keramik auch in stationären und mobilen Wärmekraftmaschinen wie beispielsweise Gasturbinen einzusetzen.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprü­ chen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeich­ nungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Bauteil aus Siliziumcarbid, das einen mit der erfin­ dungsgemäßen Metallisierung gefertigten Überzug aufweist,

Fig. 2 ein Bauelement, das aus einem Bauteil aus Siliziumcarbid und einem zweiten Bauteil zusammengelötet ist.

Das in Fig. 1 dargestellte Bauteil 1 weist einen mit der erfin­ dungsgemäßen Metallisierung hergestellten Überzug 2 auf. Für die Ausbildung des Überzuges 2 wird zunächst eine Paste hergestellt. Hierfür wird eine für die Metallisierung gängige Pastengrundlage verwendet. Solche Pastengrundlagen gehören zum Stand der Technik und sind im Handel erhältlich. Dieser Pastengrundlage wird wenig­ stens ein Metallcarbid, mindestens ein Metall und Molybdänoxid oder Phosphormolybdänsäure-Ammoniumsalz-Hydrat in Pulverform bei­ gemischt. Erfindungsgemäß wird der Paste Wolframcarbid, Kobalt und Molybdänoxid beigemischt. Die Paste enthält Wolframcarbid und Kobalt in einem Verhältnis von 95 : 5 bis 70 : 30, vorzugsweise in einem Verhältnis von 87 : 13 bis 89 : 11. Die der Pastengrundlage beigemischte Menge an Molybdänoxid beträgt 0,1 bis 5 Vol% bezogen auf das verwendete Gesamtvolumen an Wolframcarbid und Kobalt. Sollte die Paste nach dem Beimischen des metallischen Pulvers noch nicht die richtige Konsistenz aufweisen, so daß sie mittels Siebdruck oder mittels Bestreichen auf die Oberfläche 15 aufge­ tragen werden kann, so kann der Paste zusätzlich Glykolether bei­ gemischt werden. In dem Pulvergemisch, das der Pastengrundlage beigemischt wird, kann das Kobalt auch durch Nickel und Chrom er­ setzt werden. Ein Überzug 2 mit den gleichen Eigenschaften kann auch erzielt werden, wenn an Stelle von Wolframcarbid und Kobalt Chromcarbid und Nickel verwendet werden. Der Zusatz einer Molyb­ dän haltigen Verbindung ist immer erforderlich. Vorzugsweise wird hierfür Molybdänoxid oder Phosphormolybdänsäure-Ammoniumsalz-Hy­ drat verwendet. Das pulverförmige Wolframcarbid hat eine Teil­ chengröße von 1 µm während das ebenfalls pulverförmige Kobalt eine Teilchengröße 1,6 µm aufweist. Die obenbeschriebenen Meng­ enverhältnisse und Teilchengrößen werden auch bei der Verwendung anderer Carbide und Metalle beibehalten. Die verwendete Molybdän haltige Verbindung weist eine Teilchengröße von <1 µm auf. Die fertige Paste wird bei Raumtemperatur mittels Siebdruck auf die Oberfläche 1S des Bauteils 1 aufgebracht, oder einfach aufgestri­ chen. Damit der fertige Überzug 2 eine Dicke zwischen 40 und 250 µm aufweist, wird die Paste zunächst 40 bis 50 µm dick aufge­ tragen. Dieser Vorgang wird zwei- bis dreimal wiederholt. Das Bauteil 1 wird dann zusammen mit der aufgetragenen Paste einer Wärmebehandlung im Vakuum oder in einer Edelgasatmosphäre bei ei­ ner Temperatur zwischen 1100°C und 1400°C unterzogen. Die Dauer der Wärmebehandlung beträgt 5 bis 30 Minuten. Unter günstigen Be­ dingungen ist die Metallisierung der Oberfläche 1S bereits nach 5 Minuten abgeschlossen. Der gebildet Überzug 2 besteht aus zwei Schichten 4 und 5, wie anhand von Fig. 1 zu sehen ist. Unmittel­ bar an die Oberfläche 1S des Bauteils 1 schließt sich die Schicht 4 aus Molybdäncarbid an. Darauf folgt die Schicht 5 aus Wolf­ ramcarbid und Kobalt. Durch die Schicht 4 wird die Haftfestigkeit der Schicht 5 wesentlich verbessert. Die Schicht 5 weist eine Po­ rosität zwischen 10 und 30% auf. Mit Hilfe dieser Porosität ist eine dauerhaft Verbindung von Bauteilen aus Siliziumcarbid mit Bauteilen aus dem gleichen oder einem anderen Werkstoff möglich, und zwar auch dann, wenn diese Bauteile ständig einer Belastung bei Temperaturen von 1000°C ausgesetzt sind.

Fig. 2 zeigt ein Bauteil 1 aus Siliziumcarbid, das mit einem Bau­ teil 10 aus einer oxiddispersionsgehärteten Legierung dauerhaft verbunden werden soll. Zu diesem Zweck ist die Oberfläche 1S des Bauteils 1 ist mit dem erfindungsgemäßen Überzug 2 versehen. Die Verbindung der beiden Bauteile 1 und 10 erfolgt mit Hilfe eines handelsüblichen Lots 7, das Nickel oder Palladium enthält. Es handelt sich hierbei um Hochtemperaturhartlote. Im Prinzip kann jedes Lot verwendet werden, das geeignet ist, die Oberfläche des Überzuges 2 zu benetzen. Da die Schicht 5 des Überzuges 2 auf ih­ rer Oberfläche 10 bis 30% offene Poren aufweist, kann das Lot 7 in diese Poren 8 eindringen. Hierdurch wird eine temperatur­ beständige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 1 und 10 geschaffen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Metallisierung eines keramischen Bauteils aus Siliziumcarbid (1), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens auf der Oberfläche des Bauteils (1) ein mit offenen Poren ver­ sehener metallischer Überzug (2) ausgebildet wird, der eine de­ finierte Temperaturbeständigkeit aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung des Überzugs (2) eine Paste () hergestellt wird, die wenigstens ein Metall, ein Metallcarbid und eine Molybdän haltige Verbindung enthält, und daß die Paste und nach dem Auf­ tragen auf das Bauteil (1) einer Wärmebehandlung bei einer de­ finierten Temperatur unterzogen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Ausbildung des Überzuges (2) in eine für die Ausbildung von Metallisierungen verwendete Pastengrundlage wenigstens ein Metall, ein Metallcarbid und eine Molybdän haltige Verbindung in Pulverform mit definierten Teilchengrößen einge­ rührt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Ausbildung des Überzuges (2) ein Metall­ carbid mit einer Teilchengröße von 1 µm, mindestens ein Metall mit einer Teilchengröße von 1,6 µm und eine Molybdän haltige Verbindung mit einer Teilchengröße von 1 µm der Pastengrundlage beigemischt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Ausbildung des Überzuges (2) in die Pasten­ grundlage Wolframcarbid und Kobalt sowie Molybdänoxid oder Phos­ phormolybdänsäure-Ammoniumsalz-Hydrat in die Pastengrundlage eingerührt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Ausbildung des Überzuges (2) Wolframcarbid und Kobalt in einem Verhältnis von 95 : 5 bis 70 : 30, vorzugsweise in einem Verhältnis von 87 : 13 bis 89 : 11 der Pastengrundlage bei­ gemischt wird, und daß die der Pastengrundlage beigemischte Menge an Molybdänoxid oder Phosphormolybdänsäure-Ammoniumsalz-Hydrat 0,1 bis 5 Vol% bezogen auf das Gesamtvolumen an Wolframcarbid und Kobalt beträgt, das in der Pastengrundlage verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Ausbildung des Überzuges (2) die Paste mit­ tels Siebdruck oder durch Bestreichen in einer Dicke von 40 bis 50 µm zwei oder drei mal nach einander bei Raumtemperatur auf die Oberfläche (1S) des Bauteils (1) aufgetragen und anschließend einer Wärmebehandlung im Vakuum oder in einer Edelgasatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 1100°C und 1400°C während einer Zeit von 5 und 30 Minuten unterzogen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Ausbildung des Überzuges (2) der Pasten­ grundlage neben dem metallischen Pulver Glykolether zur Erzielung der gewünschten Konsistenz begemischt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 8, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung des Überzuges (2) Chrom­ carbid und Nickel oder Wolframcarbid und Nickel und Chrom sowie Molybdänoxid oder Phosphormolybdänsäure-Ammoniumsalz-Hydrat der Pastengrundlage beigemischt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, und 9, da­ durch gekennzeichnet, Wolframcarbid, Nickel und Chrom oder Chrom­ carbid und Nickel in einem Verhältnis von 95 : 5 bis 70 : 30, vor­ zugsweise in einem Verhältnis von 87 : 13 bis 89 : 11 der Pasten­ grundlage beigemischt wird, und daß die der Pastengrundlage beigemischte Menge an Molybdänoxid oder Phosphormolybdänsäure- Ammoniumsalz-Hydrat 0,1 bis 5 Vol% bezogen auf das Gesamtvolumen an Wolframcarbid, Nickel und Chrom oder Chromcarbid und Nickel beträgt, das in der Pastengrundlage verwendet wird.