DE60208591T2

DE60208591T2 - Verbindungsmittel für metall oder keramik und verfahren zum verbinden von metall- oder keramikgegenständen unter verwendung des verbindungsmittels

Info

Publication number: DE60208591T2
Application number: DE60208591T
Authority: DE
Inventors: Honda Engineering Co. Tsugio Sayama-shi MASUDA
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2006-07-13
Also published as: US6923363B2; DE60208591D1; JP4077181B2; EP1431261A4; KR100851692B1; EP1431261B1; DE60208591T8; CN100509707C; EP1431261A1; KR20040044974A; CN1558881A; WO2003029165A1; US20040195294A1; JP2003104783A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft ein Bindemittel basierend auf anorganischen Bestandteilen zum Verbinden metallischer oder keramischer Teile und insbesondere ein Bindemittel für metallische oder keramische Teile, dessen Härtung durch Wärmen unterstützt wird, und ein Bindeverfahren für metallische oder keramische Teile, welches dasselbe verwendet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Löten (Hartlöten) oder ein Bindeverfahren, welches sich auf ein organisches Adhäsionsmittel stützt, ist als Verfahren zum Verbinden metallischer oder keramischer Teile bekannt.
Ein Bindeverfahren, welches sich auf ein organisches Adhäsionsmittel stützt, benötigt eine teure Ausrüstung, um eine geeignete Arbeitsumgebung aufrechtzuerhalten, da es ein organisches Lösungsmittel wie zum Beispiel Toluol verwendet. Überdies benötigt es eine teure Ausrüstung für die Beseitigung eines kontaminierten organischen Lösungsmittels.
Löten involviert kein Umweltproblem oder Abfallbeseitigungsproblem, aber macht Erwärmen eines Basiskörpers und eines Teiles, das damit mit einem Lot in einem Vakuumofen verbunden werden soll, auf die Schmelztemperatur des Lots (640°C) notwendig. Das Aussetzen des Basiskörpers etc. gegenüber einer derartig hohen Temperatur verursacht seine thermische Deformation aufgrund einer Differenz der Temperatur zwischen seiner Oberfläche und dem Inneren oder zwischen seinen oberen und unteren Oberflächen. Es ist normal, auf den Basiskörper einen hohen Druck auszuüben, um seine thermische Deformation zu unterdrücken. Daher verursacht Löten hohe Herstellungskosten, insoweit es gewisse Maßnahmen benötigt, die ergriffen werden müssen, um den Basiskörper etc. vor Deformation, welche durch seine Erwärmung auf eine hohe Temperatur verursacht wird, zu schützen.
US-A-5468690 offenbart das Verbinden von Teilen durch eine Aufschlämmung, die gezündet wird, um eine Verbrennungssynthese zu bewirken.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt dieser Erfindung wird ein Bindemittel für Metalle oder Keramiken bereitgestellt, umfassend 0,25 bis 18,0 Gew.-% eines Mg-Pulvers und 25 bis 50 Gew.-% eines Hydroxyl-Lösungsmittels, wobei der Rest seiner Zusammensetzung ein AlN-Pulver ist.
Das Bindemittel, welches die oben genannten Bestandteile hat, hat eine große Menge Reaktionswärme, die bei der Reaktion seiner Bestandteile erzeugt wird. Diese Reaktionswärme zerstört thermisch jeden starken Oxidfilm, der auf der Oberfläche des Basiskörpers oder des Teils, welches damit verbunden werden soll, existiert, und die Bildung einer Barrierenschicht, welche ihre Bindung verhindert, wenn der Basiskörper und das Teil, welches damit verbunden werden soll, aus einer Aluminiumlegierung sind.
Ein Verfahren, welches sich auf eine Kombination von selbst erzeugter Wärme und Wärme, die von außen zugeführt wird, stützt, oder ein Verfahren, welches sich ausschließlich auf Wärme, die von außen zugeführt wird, stützt, ist als Verfahren zum Erhalten von Wärme zum Zerstören des Oxidfilms wie oben angegeben verfügbar. Das Verfahren, welches sich auf eine Kombination von selbst erzeugter Wärme und Wärme, die von außen zugeführt wird, stützt, benötigt aber weniger Wärme, die von außen zugeführt wird als das Verfahren, welches sich ausschließlich auf Wärme, die von außen zugeführt wird, stützt. Die weniger Wärme, die von außen zugeführt wird, ermöglicht es, jede Erhöhung der Temperatur des Basiskörpers und des Teils, welches damit verbunden werden soll, zu beschränken. Die Beschränkung jeder Erhöhung der Temperatur ermöglicht es, die Temperatur des Basiskörpers und des Teils, welches damit verbunden werden soll, zu senken. Wenn ihre Temperatur niedriger ist als die, die bisher möglich war, ist es nicht notwendig, spezielle Maßnahmen zu ergreifen, um ihre thermische Deformation zu verhindern. Selbst wenn eine beliebige Maßnahme zum Verhindern einer Deformation ergriffen werden kann, ist es für eine beliebige derartige Maßnahme aber ausreichend, einen niedrigen Haltedruck zu verwenden.
Obwohl jedes bekannte organische Adhäsionsmittel schädliches Gas bilden kann, bildet diese Erfindung kein derartiges Gas, sondern kann eine gute Umwelt erhalten.
Das Hydroxyl-Lösungsmittel kann Wasser sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt dieser Erfindung wird ein Metall- oder Keramikbindeverfahren bereitgestellt, umfassend: einen Knetungsschritt, in welchem ein Mg-Pulver und ein AlN-Pulver für ein Bindemittel umfassend 0,25 bis 18,0 Gew.-% eines Mg-Pulvers und 25 bis 50 Gew.-% eines Hydroxyl-Lösungsmittels geknetet werden, wobei der Rest seiner Zusammensetzung das AlN-Pulver ist; einen Mischungsschritt, in welchem 25 bis 50 Gew.-% eines Hydroxyl-Lösungsmittels mit den gekneteten Pulvern direkt vor der Anwendung gemischt werden; einen Beschichtungsschritt, in welchem das erhaltene Bindemittel angewendet wird, um wenigstens eines von einem metallischen oder keramischen Basiskörper und einem Teil, welches damit verbunden werden soll, zu beschichten; einen Schritt zur innigen Kontaktierung, in welchem das Teil durch das Bindemittel in innigen Kontakt mit dem Basiskörper gebracht wird; und einen Heizschritt, in welchem der Basiskörper und das Teil in innigem Kontakt miteinander gehalten auf 150 bis 500°C geheizt werden, so dass ihre Bindung unterstützt werden kann.
Die Pulver werden durch Kneten vor dem Hinzufügen des Hydroxyl-Lösungsmittels gleichmäßig gemischt, wodurch ihre spätere Reaktion leichter stattfindet.
Da das Hinzufügen des Hydroxyl-Lösungsmittels zu den gekneteten Pulvern ihre Reaktion startet, wird dieser Schritt unmittelbar vor der Anwendung durchgeführt.
Die Wärme zum thermischen Zerstören eines starken Oxidfilms wird durch eine Kombination von selbsterzeugter Wärme und Wärme, die von außen zugeführt wird, erhalten. Daher ist Wärmen auf 150 bis 500°C für eine Zerstörung eines starken Oxidfilms ausreichend. 150 bis 500°C sind hinreichend niedriger als die zu erreichende Temperatur, wenn nur Wärme von außen verwendet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine Querschnittsansicht einer Hochstrom-Leistungsvorrichtung, welche durch ein Bindeverfahren gemäß dieser Erfindung gemacht wurde,
2A bis 2C sind Diagramme, die ein Verfahren zum Verbinden von Teilen für eine Hochstrom-Leistungsvorrichtung umreißen, wobei ein Bindemittel gemäß dieser Erfindung verwendet wird,
3A bis 3D sind Diagramme, die ein Verfahren zum Verbinden von Teilen für eine Hochstrom-Leistungsvorrichtung umreißen, wobei verschiedene Bedingungen und Schritte aus den in 2A bis 2C gezeigten Bedingungen und Schritten verwendet werden,
4A bis 4C sind Diagramme, die ein Verfahren zum Verbinden eines Maschinenzylinders mit einem Zylinderkopf umreißen,
5 ist ein Diagramm, welches ein vorbereitendes Stadium bei einer Aufgabe zum Verbinden von Teilen für einen Zylinderblock umreißt,
6 ist ein Diagramm, welches ein Verfahren zum Einsetzen eines Aluminiumlegierungsstücks in einen Zylinder umreißt,
7 ist ein Diagramm, welches Details des in 6 gezeigten Verfahrens zum Einsetzen eines Aluminiumlegierungsstücks umreißt,
8 ist ein Diagramm, welches ein Verfahren zum Wärmen bei der Aufgabe zum Verbinden von Teilen für einen Zylinderblock umreißt, und
9 ist eine perspektivische Sicht eines wesentlichen Teils eines fertigen Zylinderblocks.
BESTE FORM ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Der bevorzugte Bereich der Bestandteile des erfindungsgemäßen Bindemittels wird zunächst in Übereinstimmung mit den folgenden proportionalen Ausdrücken erklärt: AlN:Mg:H₂O = 8:3:12 (Faktorenverhältnis) = 328:72:216 (Gewichtsverhältnis) = 53 Gew.-%:12 Gew.-%:35 Gew.-%
AlN hat ein Molekulargewicht von 41 (die Summe der Atomgewichte), was 328 ergibt, wenn es mit 8 multipliziert wird. Mg hat ein Atomgewicht von etwa 24, was 72 ergibt, wenn es mit 3 multipliziert wird. H₂O hat ein Molekulargewicht von 18, was 216 ergibt, wenn es mit 12 multipliziert wird.
Daher wird 8:3:12 (Faktorenverhältnis) als 328:72:216 ausgedrückt, wenn es in das Gewichtsverhältnis umgewandelt wird. Seine Umwandlung in Prozentwerte ergibt 53 Gew.-%:12 Gew.-%:35 Gew.-%. In anderen Worten hat AlN einen bevorzugten Anteil von 53 Gew.-%, Mg hat einen bevorzugten Anteil von 12 Gew.-% und H₂O hat einen bevorzugten Anteil von 35 Gew.-%. Diese Anteile können jedoch für praktische Anwendungen verbreitert werden.
Es wurde experimentell gefunden, dass die Reaktion gemäß der unten erscheinenden chemischen Reaktionsformel nicht zufriedenstellend abläuft, wenn Mg weniger als 0,25 Gew.-% beträgt. Es wurde ebenso gefunden, dass ein Überschuss von Al₂MgO₄ gebildet wird und eine Verminderung der Bindungsstärke verursacht, wenn Mg über 18 Gew.-% beträgt. Entsprechend liegt Mg im Bereich von 0,25 bis 18 Gew.-%.
In Hinblick auf das Hydroxyl-Lösungsmittel wurde gefunden, dass, wenn es weniger als 25 Gew.-% beträgt, die obige Reaktion nicht zufriedenstellend abläuft, sondern ein Bindemittel bildet, das nicht in Form einer Paste vorliegt und nicht für eine zufriedenstellende Beschichtung anwendbar ist. Es wurde ebenso gefunden, dass, wenn das Hydroxyl-Lösungsmittel mehr als 50 Gew.-% beträgt, das resultierende Produkt eine zu große Fluidität für eine erfolgreiche Beschichtung aufweist. Entsprechend liegt das Hydroxyl-Lösungsmittel im Bereich von 25 bis 50 Gew.-%.
Es wird nun auf 1 Bezug genommen, welche einen Querschnitt einer Hochstrom-Leistungsvorrichtung zeigt, welche durch das erfindungsgemäße Bindeverfahren gemacht wurde.
Die Hochstrom-Leistungsvorrichtung 10 umfasst ein Halbleiterelement 11, eine Isolierbasis 12, welche das Halbleiterelement 11 trägt, einen Wärmeverteiler 13, welcher an die Isolierbasis 12 gebunden ist, und eine Wärmeabführung 15, welche an den Wärmeverteiler 13 durch ein erfindungsgemäßes Bindemittel 14 gebunden ist.
Die Wärme, welche durch das Halbleiterelement 11 erzeugt wird, wird zum Wärmeverteiler 13 übertragen und dann zur Wärmeabführung 15 und verteilt sich, so dass jegliche Erhöhung der Temperatur des Halbleiterelements 11 beschränkt werden kann.
Es werden nun die Materialien der einzelnen Bestandteile erklärt.
Die Isolierbasis 12 ist aus Aluminiumnitrid gemacht.
Der Wärmeverteiler 13 ist aus Aluminium, Kupfer oder Siliciumkarbid (SiC) gemacht, welche eine hohe thermische Leitfähigkeit haben.
Die Wärmeabführung 15 ist ebenso aus Aluminium, Kupfer oder Siliciumkarbid gemacht, welche eine hohe thermische Leitfähigkeit haben.
Ein Bindeverfahren für eine Hochstrom-Leistungsvorrichtung, welche die oben beschriebene Konstruktion hat, wird nun mit Bezug auf 2A bis 2C beschrieben.
Ein Wärmeverteiler 13, welcher mit einem Halbleiterelement 11 und einer Isolierbasis 12, einer Wärmeabführung 15 und einem Bindemittel 14 bereitgestellt wird, wird wie in 2A gezeigt hergestellt.
Der Wärmeverteiler 13 und die Wärmeabführung 15 sind aus verschiedenen Metallarten, so dass der Wärmeverteiler aus Aluminium ist (welches eine Reinheit von 99,99% hat), während die Wärmeabführung aus einer Aluminiumlegierung A5052 ist (JIS: eine Aluminiumlegierung, welche 2,5 Mg und 0,25 Cr enthält).
50 Gew.-% eines AlN-Pulvers, 10 Gew.-% eines Mg-Pulvers und 40 Gew.-% Wasser werden für das Bindemittel 14 vorbereitet. Überdies wird siebenmal soviel Al-Pulver wie das AlN-Pulver als ein Additiv vorbereitet, da der Wärmeverteiler 13 und die Wärmeabführung 15 aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung sind. Das AlN-Pulver (50 Gew.-%), Mg-Pulver (10 Gew.-%) und Al-Pulver (siebenmal soviel wie das AlN-Pulver) werden zuerst in einem Mörser vollständig zusammengeknetet. Wasser (40 Gew.-%) wird mit den gekneteten Pulvern gemischt, um das Bindemittel 14 zu bilden, welches das Additiv enthält.
Dann wird das Bindemittel 14 angewendet, um den Wärmeverteiler 13 zu beschichten, wie in 2B gezeigt wird. Die Wärmeabführung 15 wird auf das Bindemittel 14 aufgebracht. Das Bindemittel 14 kann alternativ auf die Wärmeabführung 15 angewendet werden.
Dann wird das Ganze in einen Vakuumheizofen 18 eingesetzt, während der Wärmeverteiler 13 auf Träger 16 aufgebracht wird, wie in 2C gezeigt wird. Als Ergebnis wird das Gewicht der Wärmeabführung 15 vom Bindemittel 14 getragen. Diese Last sollte einen Druck von etwa 2 MPa bilden. Wenn sie nicht 2 MPa erreicht, kann ein Gewicht 17, welches den Mangel ausgleicht, auf die Wärmeabführung 15 aufgebracht werden, wie durch eine gedachte Linie gezeigt ist. Der Vakuumofen wird evakuiert, und dann wird Stickstoff eingeblasen, um eine Stickstoffatmosphäre zu schaffen, welche eine Sauerstoffkonzentration von 3 bis 20 ppm hat.
Wärmen wird bei einer Erwärmungsrate von 10°C/min für eine Zieltemperatur von 150°C begonnen, und nachdem 150°C erreicht sind, lässt man zwei Stunden vergehen. Die Reaktion, welche durch die folgende chemische Formel ausgedrückt wird, findet in der Zwischenzeit statt und bildet ggf. 1120 kJ Reaktionswärme. Diese Reaktionswärme dient als Teil der Wärme, die für die thermische Zerstörung von jeglichem starken Oxidfilm benötigt wird, welcher auf der Oberfläche eines Basiskörpers oder eines Teils, welches damit verbunden werden soll, gebildet wird, wenn es aus einer Aluminiumlegierung ist. 8AlN + 3Mg + 12H₂O – 3Al₂MgO₄ + 2Al + 8NH₃ – 1120 kJ (Reaktionswärme)
Das Produkt, welches aus dem Vakuumheizofen 18 entnommen wurde, war die Leistungsvorrichtung 10, welche in 1 gezeigt wird. Die Leistungsvorrichtung 10 wurde auf ihre mechanischen Eigenschaften untersucht. Ihre Details sind in der Tabelle unten gezeigt.
Die Verbindung oder das Bindemittel 14 hatte eine Dicke von etwa 100 μm, und der Zug-Bruch-Test als auch die Messung seiner Zugfestigkeit wurde unter Verwendung einer Zugprüfmaschine durchgeführt. Das Ergebnis zeigte eine Zugfestigkeit von etwa 20 MPa, und es brach der gebundene Teil oder der Wärmeverteiler 13. Daher wurde bestätigt, dass die Verbindung, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Bindemittels erhalten wurde, zur Adhäsionsstärke jeglichen bekannten Produktes vergleichbar war.
Das Folgende war der Grund, dass die Erwärmungstemperatur auf 150°C gesetzt wurde.
Unter Bezugnahme auf 2A wird das Halbleiterelement 11 an die Isolierbasis 12 durch Lot befestigt. Da das Lot bei 180°C erweicht oder schmilzt, muss Erwärmen wie in 2C gezeigt bei weniger als 180°C ausgeführt werden.
Da erwartet wurde, dass das erfindungsgemäße Bindemittel 14 selbst Wärme erzeugt, wurde bestätigt, dass eine Stärke, welche zu der vergleichbar ist, welche bereits möglich war, durch Heizen von außen bei 125°C erhalten werden könnte.
Daher wurde 150°C als Mittelpunkt zwischen 125°C und 180°C für die oben beschriebene Ausführungsform gewählt.
Da jedoch die Bindungsstärke von der Temperatur abhängt, besteht ebenso ein Bedarf für eine äußere Erwärmungstemperatur von 180°C oder darüber, um eine hohe Stärke zu erzielen. Eine entsprechende Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf 3A bis 3D beschrieben.
Ein Wärmeverteiler 13, eine Wärmeabführung 15 und ein Bindemittel 14 werden zuerst wie in 3A gezeigt hergestellt. Der Wärmeverteiler 13 und die Wärmeabführung 15 bestehen aus verschiedenen Metallarten, so dass der Wärmeverteiler aus Aluminium ist (welches eine Reinheit von 99,99% hat), während die Wärmeabführung aus einer Aluminiumlegierung A5052 ist (eine Aluminiumlegierung, welche 2,5 Mg und 0,25 Cr enthält).
50 Gew.-% eines AlN-Pulvers, 10 Gew.-% eines Mg-Pulvers und 40 Gew.-% Wasser werden für das Bindemittel 14 vorbereitet. Überdies wird siebenmal soviel Al-Pulver wie das AlN-Pulver als ein Additiv vorbereitet, da der Wärmeverteiler 13 und die Wärmeabführung 15 aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung sind. Das AlN-Pulver (50 Gew.-%), Mg-Pulver (10 Gew.-%) und Al-Pulver (siebenmal soviel wie das AlN- Pulver) werden zuerst in einem Mörser vollständig zusammengeknetet. Wasser (40 Gew.-%) wird mit den gekneteten Pulvern gemischt, um das Bindemittel 14 zu bilden, welches das Additiv enthält.
Dann wird das Bindemittel 14 angewendet, um den Wärmeverteiler 13 zu beschichten, wie in 3B gezeigt wird. Die Wärmeabführung 15 wird auf das Bindemittel 14 aufgebracht. Das Bindemittel 14 kann alternativ auf die Wärmeabführung 15 angewendet werden.
Dann wird das Ganze in einen Vakuumheizofen 18 eingesetzt, während der Wärmeverteiler 13 auf Träger 16 aufgebracht wird, wie in 3C gezeigt wird. Als Ergebnis wird das Gewicht der Wärmeabführung 15 vom Bindemittel 14 getragen. Diese Last sollte einen Druck von etwa 2 MPa bilden. Wenn sie nicht 2 MPa erreicht, kann ein Gewicht, welches den Mangel ausgleicht, auf die Wärmeabführung 15 aufgebracht werden. Der Vakuumheizofen 18 wird evakuiert, und dann wird Stickstoff eingeblasen, um eine Stickstoffatmosphäre zu schaffen, welche eine Sauerstoffkonzentration von 3 bis 20 ppm hat.
Wärmen wird bei einer Erwärmungsrate von 10°C/min für eine Zieltemperatur von 600°C begonnen, und nachdem 600°C erreicht sind, lässt man zwei Stunden vergehen.
Schließlich werden ein Halbleiterelement 11 und eine Isolierbasis 12 durch Lot etc. an den Wärmeverteiler 13 nach Entnehmen aus dem Vakuumwärmeofen 18 und einer Inversion gebunden. Als Ergebnis wird eine Hochstrom-Leistungsvorrichtung wie in 3D gezeigt fertiggestellt.
Ein Beispiel, in dem das erfindungsgemäße Bindeverfahren auf die Bindung von Maschinenteilen angewendet wird, wird nun unter Bezugnahme auf 4A bis 4C beschrieben.
Ein Maschinenzylinder 21 und ein Kopf 23, welcher eine Rippe 22 hat, werden zuerst wie in 4A gezeigt vorbereitet. Der Zylinder 21 hat Schraubbolzen 24, die daran vorher befestigt wurden. Der Zylinder 21 ist aus einem Aluminium-Spritzguss (JIS-ADC-12) gemacht, und der Kopf 23 ist ebenso aus einem Aluminium-Spritzguss (JIS-ADC-12).
Die obere Oberfläche des Zylinders 21 ist mit einem Bindemittel 14 beschichtet. Das Bindemittel 14 hat dieselbe Zusammensetzung wie sie vorher beschrieben wurde.
Dann wird der Kopf 23 auf den Zylinder 21 aufgebracht, und Muttern 25 werden auf die Schraubbolzen 24 gesteckt und gedreht, um den Kopf 23 gegen den Zylinder 21 zu pressen, wie in 4B gezeigt wird. Ihr Druck wird auf 2 MPa eingestellt. Daher erfüllen die Schraubbolzen 24 und die Muttern 25 die Funktion einer mechanischen Befestigung. Dann werden der Zylinder 21 und der Kopf 23 in einen Vakuumheizofen 18 gebracht. Der Vakuumheizofen 18 wird evakuiert, und dann wird Stickstoff eingeblasen, um eine Stickstoffatmosphäre zu schaffen, welche eine Sauerstoffkonzentration von 3 bis 20 ppm hat.
Wärmen wird bei einer Erwärmungsrate von 10°C/min für eine Zieltemperatur von 400°C begonnen, und nachdem 400°C erreicht sind, lässt man zwei Stunden vergehen. Die Reaktion, welche durch die folgende chemische Formel ausgedrückt wird, findet in der Zwischenzeit statt und bildet ggf. 1120 kJ Reaktionswärme. Diese Reaktionswärme dient als Teil der Wärme, die für die thermische Zerstörung von jeglichem starken Oxidfilm benötigt wird, welcher auf der Oberfläche eines Basiskörpers oder eines Teils, welches damit verbunden werden soll, gebildet wird, wenn es aus einer Aluminiumlegierung ist. 8AlN + 3Mg + 12H₂O – 3Al₂MgO₄ + 2Al + 8NH₃ – 1120 kJ (Reaktionswärme)
Schließlich werden die Schraubbolzen und Muttern von dem, was aus dem Vakuumheizofen herausgenommen wurde, entfernt, wobei eine fertiggestellte Zylinder-Kopf-Anordnung 20 wie in 4C gezeigt erhalten wird. Während es bisher üblich war, den Kopf an einen Zylinder mit Schraubbolzen zu befestigen, verwendet diese Erfindung das Bindemittel 14, um sie aneinander zu binden.
Die Zylinder-Kopf-Anordnung 20 wurde auf ihre mechanischen Eigenschaften untersucht. Ihre Details sind in der Tabelle unten gezeigt.
Die Verbindung oder das Bindemittel 14 hatte eine Dicke von etwa 85 μm, und der Zug-Bruch-Test als auch die Messung seiner Zugfestigkeit wurde unter Verwendung einer Zugprüfmaschine durchgeführt. Das Ergebnis zeigte eine Zugfestigkeit von etwa 75 MPa, und es brach der Basiskörper oder der Zylinder 21. Daher wurde bestätigt, dass die Verbindung, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Bindemittels erhalten wurde, eine zufriedenstellende Stärke aufwies.
Bezugnehmend auf die Temperatur des Heizens von außen zur Unterstützung der Adhäsion des Bindemittels muss diese 125°C oder größer sein, um eine Stärke zu erhalten, die zu der vergleichbar ist, die bisher erhalten wurde. Im Hinblick auf die Notwendigkeit zur Verwendung einer Temperatur, die niedriger ist als die Löttemperatur (etwa 640°C), um eine Deformation durch die Temperatur zu verhindern, ist es jedoch wünschenswert, 600°C nicht zu überschreiten. Daher ist die äußere Erwärmungstemperatur aus dem Bereich von 125 bis 600°C ausgewählt.
Überdies sind wenigstens 150°C notwendig, um wenigstens eine vorbestimmte Stärke sicherzustellen, und es ist notwendig, 500°C nicht zu überschreiten, um jegliche Deformation durch Temperatur gänzlich zu unterdrücken. Daher ist eine bevorzugte äußere Erwärmungstemperatur aus dem Bereich von 150 bis 500°C ausgewählt.
Das Additiv, welches zu dem erfindungsgemäßen Bindemittel hinzugefügt wird, wird so verändert, dass es zum Charakter des Basiskörpers oder des Teils, welches damit verbunden werden soll, passt. Das Additiv ist zum Beispiel ein Ni-Pulver, wenn die verbundenen Oberflächen mit Ni platiert sind.
Ein Beispiel, in welchem das erfindungsgemäße Bindeverfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks verwendet wird, wird nun unter Bezugnahme auf 5 bis 9 beschrieben.
Ein Zylinderblock 30, welcher durch Aluminiumgießen gebildet wurde, Aluminiumlegierungsstücke 34 und ein Bindemittel 14 werden zuerst wie in 5 gezeigt vorbereitet. Ihre Details werden in ihrer Reihenfolge erklärt.
Der Zylinderblock 30 ist ein Aluminiumguss, welcher miteinander in Verbindung stehende Zylinder 31 hat, die in enger Nachbarschaft zueinander gebildet sind und die einen schmalen Zylinderzwischenraum haben, während Wasserkühlungsummantelungen 32, welche die Zylinder 31 umgeben, ringförmig offen sind und sich mit ihrer Oberfläche 33 mit einem Zylinderkopf verbinden. Das, was wie im vorliegenden Beispiel die miteinander in Verbindung stehenden Zylinder 31 in enger Nachbarschaft zueinander gebildet hat, wird ein Zylinderblock vom siamesischen Typ genannt. Der Aluminiumguss ist vorzugsweise ein Aluminium-Spritzguss, welcher eine Zusammensetzung hat, die in JIS-ADC-12 spezifiziert ist.
Die Aluminiumlegierungsstücke 34 haben eine Dicke, welche dem Abstand entspricht, der die Wasserkühlungsummantelungen 32 definiert, und können Güsse oder gewalzte Produkte sein.
Bezugnehmend auf 6 wird das Aluminiumlegierungsstück 34, welches auf seiner linken Seite gezeigt ist, in die Wasserkühlungsummantelung 32 eingesetzt, wie durch den Pfeil gezeigt wird, nachdem es mit dem Bindemittel 14 auf beiden Seiten beschichtet wurde. Dasselbe wird mit dem Aluminiumlegierungsstück 34 gemacht, welches auf der rechten Seite gezeigt wird.
Bezugnehmend auf 7 hat die Wasserkühlungsummantelung 32 zur leichten Befreiung aus der Gussform vorzugsweise eine sich verjüngende Form, die sich zur Öffnung 35 hin aufweitet. Der Zylinderblock ist daher nach seinem Guss leicht aus der Gussform zu entfernen. Die Inklination θ1 entspricht der Befreiungsinklination, welche in der Gussform gebildet wird.
Es ist wünschenswert, dass das Aluminiumlegierungsstück 34 einen entsprechenden keilförmigen Querschnitt hat, welcher durch seine Dicke t2 am oberen Ende definiert wird, welche größer ist als seine Dicke t1 am unteren Ende. Dieser sich verjüngende Winkel des Stückes wird als θ2 bezeichnet.
Obwohl es die Regel ist, normalerweise θ1 = θ2 zu setzen, ist es ebenso möglich, θ1 < θ2 zu setzen.
Das Folgende ist der Grund. Wenn θ1 < θ2, ist es notwendig, das Aluminiumlegierungsstück 34 in die Wasserkühlungsummantelung 32 durch eine starke Kraft presszupassen. Seine Presspassung übt eine reaktive (kompressive) Kraft auf das Bindemittel 14 aus.
Dann wird der Zylinderblock 30 in einen Vakuumheizofen 40 gebracht, wie in 8 gezeigt wird. Es ist wünschenswert, dass eine Kompressionskraft von etwa 2 MPa auf das Bindemittel 14 durch die oben erwähnte Wirkung des Keils, jegliche andere mechanische Klemme oder ein beliebiges anderes alternatives Verfahren ausgeübt wird.
Eine Vakuumpumpe 41 wird betrieben, um den Ofen zu evakuieren. Eine Druckkontrollvorrichtung 42 detektiert den Ofendruck durch einen Drucksensor 43 und bewirkt, dass die Vakuumpumpe 41 arbeitet, so dass der Ofendruck einen vorbestimmten Vakuumgrad erreichen kann.
Dann wird Gas aus einem Stickstoffbehälter 44 oder einem Inertgasbehälter 45, welcher mit Argongas oder ähnlichem gefüllt ist, in den Ofen geblasen, um eine Stickstoff- oder Inertgasatmosphäre zu schaffen, welche eine Sauerstoffkonzentration von 3 bis 20 ppm im Ofen hat.
Dann wird Wärmen bei einer Erwärmungsrate von 10°C/min für eine Zieltemperatur von 400 °C begonnen, und nachdem 400°C erreicht sind, lässt man zwei Stunden vergehen. Eine Temperaturkontrollvorrichtung 46 detektiert die Ofentemperatur durch einen Temperatursensor 47 und reguliert die Wärmezuführung der Heizvorrichtungen 48, um die Ofentemperatur auf die Zieltemperatur mit der oben angegebenen Erwärmungsrate zu erhöhen.
Die Reaktion, welche durch die folgende chemische Formel ausgedrückt wird, findet in der Zwischenzeit statt und bildet ggf. 1120 kJ Reaktionswärme. Diese Reaktionswärme dient als Teil der Wärme, die für die thermische Zerstörung von jeglichem starken Oxidfilm benötigt wird, welcher auf der Oberfläche eines Basiskörpers oder eines Teils, welches damit verbunden werden soll, gebildet wird, wenn es aus einer Aluminiumlegierung ist. 8AlN + 3Mg + 12H₂O – 3Al₂MgO₄ + 2Al + 8NH₃ – 1120 kJ (Reaktionswärme)
Schließlich wird der Heizofen 40 entladen, um einen fertigen Zylinderblock 30 wie in 9 gezeigt zu erhalten. Der Zylinderblock 30 hat eine Vielzahl von Aluminiumlegierungsstücken 34, welche mit dem Bindemittel in den Wasserkühlungsummantelungen 32, welche die Zylinder 31 umgeben und sich an ihrer Oberfläche 33 ringförmig offen mit dem Zylinderkopf verbinden, eingepasst und befestigt sind.
Die Aluminiumlegierungsstücke 34 wurden auf ihre Adhäsionsstärke an den Zylinderblock 30 untersucht. Ihre Details sind in der Tabelle unten gezeigt.
Die Verbindung oder das Bindemittel 14 hatte eine Dicke von etwa 85 μm, und der Zug-Bruch-Test als auch die Messung seiner Zugfestigkeit wurde unter Verwendung einer Zugprüfmaschine durchgeführt. Das Ergebnis zeigte eine Zugfestigkeit von etwa 75 MPa, und es brachen die verbundenen Teile oder die Aluminiumlegierungsstücke 34. Daher wurde bestätigt, dass die Verbindung, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Bindemittels erhalten wurde, eine zufriedenstellende Stärke aufwies.
Bezugnehmend auf die Temperatur des Heizens von außen zur Unterstützung der Adhäsion des Bindemittels muss diese 125°C oder größer sein, um eine Stärke zu erhalten, die zu der vergleichbar ist, die bisher erhalten wurde. Im Hinblick auf die Notwendigkeit zur Verwendung einer Temperatur, die niedriger ist als die Löttemperatur (etwa 640°C), um eine Deformation durch die Temperatur zu verhindern, ist es jedoch wünschenswert, 600°C nicht zu überschreiten. Daher ist die äußere Erwärmungstemperatur aus dem Bereich von 125 bis 600°C ausgewählt.
Überdies sind wenigstens 150°C notwendig, um wenigstens eine vorbestimmte Stärke sicherzustellen, und es ist notwendig, 500°C nicht zu überschreiten, um jegliche Deformation durch Temperatur gänzlich zu unterdrücken. Daher ist eine bevorzugte äußere Erwärmungstemperatur aus dem Bereich von 150 bis 500°C ausgewählt.
Das Additiv, welches zu dem erfindungsgemäßen Bindemittel hinzugefügt wird, wird so verändert, dass es zum Charakter des Basiskörpers oder des Teils, welches damit verbunden werden soll, passt. Das Additiv ist zum Beispiel ein Ni-Pulver, wenn die verbundenen Oberflächen mit Ni platiert sind.
Die Aluminiumlegierungsstücke können zu Aluminiumlegierungsringen verändert werden, welche in die Öffnungen der Wasserkühlungsummantelungen eingepasst sind. Wenn derartige Ringe mit einem Bindemittel beschichtet werden, in die Öffnungen der Wasserkühlungsummantelungen gesetzt werden und durch Wärme fixiert werden, ist es möglich, einen Zylinderblock vom Closed-Deck-Typ zu erhalten. Ein Zylinderblock vom Open-Deck-Typ hat niedrige Gusskosten, aber ein Zylinderblock vom Closed-Deck-Typ hat hohe Gusskosten. Niedrige Gusskosten können daher erzielt werden, wenn ein Zylinderblock vom Open-Deck-Typ gegossen wird und in einen Zylinderblock vom Closed-Deck-Typ umgewandelt wird, indem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird.
Überdies kann der Zylinderblock nur einen Zylinder oder drei oder mehr Zylinder haben, obwohl die Ausführungsform mit einem zweizylindrigen Zylinderblock beschrieben wurde. Diese Erfindung ist nicht nur für einen Zylinderblock vom siamesischen Typ anwendbar, sondern auch für einen Zylinderblock vom nicht-siamesischen Typ.
Industrielle Anwendbarkeit
Das Bindemittel und das erfindungsgemäße Verfahren sind zur Herstellung von Maschinen und elektrischen Vorrichtungen verwendbar, da sie die Verbindung von metallischen oder keramischen Teilen für z.B. eine Maschine oder eine Hochstrom-Leistungsvorrichtung zufriedenstellend verwirklichen.

Claims

Bindemittel für Metalle oder Keramiken umfassend 0,25 bis 18,0 Gew.-% eines Mg-Pulvers und 25 bis 50 Gew.-% eines Hydroxyl-Lösungsmittels, wobei der Rest seiner Zusammensetzung ein AlN-Pulver ist.
Bindemittel für Metalle oder Keramiken gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydroxyl-Lösungsmittel Wasser ist.
Metall- oder Keramikbindeverfahren, umfassend: einen Knetungsschritt, in welchem ein Mg-Pulver und ein AlN-Pulver für ein Bindemittel umfassend 0,25 bis 18,0 Gew.-% eines Mg-Pulvers und 25 bis 50 Gew.-% eines Hydroxyl-Lösungsmittels geknetet werden, wobei der Rest seiner Zusammensetzung das AlN-Pulver ist, einen Mischungsschritt, in welchem 25 bis 50 Gew.-% eines Hydroxyl-Lösungsmittels mit den gekneteten Pulvern direkt vor der Anwendung gemischt werden, einen Beschichtungsschritt, in welchem das erhaltene Bindemittel angewendet wird, um wenigstens eines von einem metallischen oder keramischen Basiskörper und einem Teil, welches damit verbunden werden soll, zu beschichten, einen Schritt zur innigen Kontaktierung, in welchem das Teil durch das Bindemittel in innigen Kontakt mit dem Basiskörper gebracht wird, und einen Heizschritt, in welchem der Basiskörper und das Teil in innigem Kontakt miteinander gehalten auf 150 bis 500°C geheizt werden, so dass ihre Bindung unterstützt werden kann.