DE69316317T2

DE69316317T2 - Metall-Keramikverbindung, und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69316317T2
Application number: DE69316317T
Authority: DE
Inventors: Der Goes Jacobus Johannes Van; Sluys Johan Marinus Van
Original assignee: SCHELDE GROEP
Current assignee: SCHELDE GROEP
Priority date: 1992-10-30
Filing date: 1993-10-28
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2013-10-29
Also published as: EP0595433B1; ATE162125T1; DE69316317D1; EP0595433A1; NL9201899A

Description

Die Erfindung betrifft eine ein Metallteil und ein Keramikteil umfassende Metall-Keramik-Verbindung, bei der eine Schicht aus Metallhartlot auf die Oberfläche des Keramikteils aufgebracht ist.
Eine derartige Verbindung ist im Stand der Technik allgemein bekannt und wird dort verwendet, wo das Metallteil einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der annähernd gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Keramikteils ist. Wenn jedoch Materialien wie bestimmte Stahlsorten, insbesondere rostfreier Stahl, die mit Keramikteilen zu verbinden sind, verwendet werden, treten aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Materialien große Probleme auf. Dies führt zu unzulässigen Spannungen, die insbesondere von dem Keramikmaterial nicht absorbiert werden können.
Industriekeramikmaterialien sind aufgrund ihrer speziellen mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften oft ideal geeignet für die Verwendung bei Komponenten, bei denen extreme thermische, korrosive und/oder erosive Bedingungen herrschen.
Um jedoch Keramikmaterialien für Konstruktionselemente einsetzen zu können, ist es oft notwendig oder wünschenswert, die Keramikelemente mit metallischen zu verbinden.
Aus diesem Grund werden in der Praxis im allgemeinen mechanische Verbindungsverfahren wie Klemmen oder Schrumpfen verwendet. Das Verbinden mit organischen Verbundwerkstoffen oder das "Löten" mit sogenannten Schmelzüberzügen (Emaille) sind Verbindungsmethoden, die gewöhnlich verwendet werden.
Außerdem wird auch metallisches Löten verwendet, manchmal mit einer Vormetallisierung der Keramikkomponenten oder unter Verwendung aktiver Lote. Dies sind Lote, denen aktive Elemente wie beispielsweise Ti oder Zr zugesetzt sind, um eine bessere Benetzung der Keramikoberfläche durch das Lotmaterial zu erreichen.
Derartige gelötete Verbindungen können insbesondere dann verwendet werden, wenn die Dichtigkeit der Verbindung und die Stärke sowie Stabilität der Verbindung bei relativ hohen Temperaturen hohen Anforderungen genügen müssen.
Löten ist ein thermischer Vorgang, bei dem die gelöteten Gegenstände von der Löttemperatur auf Umgebungstemperatur abkühlen. Thermische Zyklen können auch einmal oder mehrere Male beim Einsatz der Verbindung auftreten.
Die Unterschiede hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Keramik- und der bzw. den Metallkomponente(n) der gelöteten Verbindung, im allgemeinen ein Faktor 3 bis 4, bedeuten, daß spezielle Maßnahmen getroffen werden müssen, um sicherzustellen, daß diese Verbindung die vorgenannten thermischen Zyklen "überlebt".
Eine erfolgreich eingesetzte Methode besteht darin, bei der Verbindung eine Reihe verschiedener Arten von Materialien mit Wärmeausdehnungskoeffizienten einzusetzen, die in Richtung des letzten Metallkonstruktionsteils schrittweise ansteigen. Diese Lösung weist den Nachteil auf, daß sie relativ teuer ist, und sie ist aufgrund der herrschenden korrodierenden Beanspruchung oft unerwünscht.
Die Erfindung betrifft eine konstruktive Maßnahme, um diese Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten angemessen zu kompensieren.
Diese Aufgabe wird bei einer Metall-Keramik-Verbindung der eingangs beschriebenen Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung basiert auf der Idee, zwischen dem Metallteil und dem Keramikteil ein Hilfsteil anzuordnen, das ebenfalls aus Metall hergestellt, jedoch in der Richtung parallel zur Keramikoberfläche flexibel ist, so daß die Ausdehnungsunterschiede zwischen dem Keramikteil und dem Metallteil von diesem Metallhilfsteil absorbiert werden können.
Ein derartiges Hilfsteil kann in vielen verschiedenen Formen gestaltet sein. Es kann beispielsweise aus einer Anzahl an Streifen bestehen, die zwischen dem Metallteil und dem Keramikteil angeordnet sind. Ein derartige Lösung ist insbesondere dann wichtig, wenn Einfachheit erforderlich ist und weder das Keramikteil noch das Metallteil einen Raum begrenzt, der abzudichten ist. Diese Streifen können bezüglich der Breite von Drahtstärke aufwärts variieren. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine gewellte Platte anzubringen. Die gewellte Form kann Variationen beim Ausdehnen oder Schrumpfen zwischen dem Metallteil und dem Keramikteil absorbieren. Ein derartiges Ausdehnen oder Schrumpfen tritt nicht nur unmittelbar nach dem Hartlöten auf, sondern auch dann, wenn die fraglichen Teile wechselnden thermischen Zyklen unterworfen sind, beispielsweise in Anwendungen, wo insbesondere das Keramikteil in einem Wärmetauscher oder Filter verwendet wird. In diesem Fall wird das Metallhilfsteil an der Stirnfläche des Keramikrohrs angebracht. Dies unterscheidet sich von dem Aufbau, der in der französischen Patentanmeldung 1,133,503 vorgeschlagen wird, bei dem ein gewelltes Hilfsteil um ein Rohr herum angebracht wird und die zwischen ihnen liegenden Öffnungen mit Lot gefüllt werden. Die dort offenbarte Konstruktion betrifft nur ein Paßstück. Sobald die ganze Konstruktion mit Lot gefüllt wird, entsteht eine starre Verbindung, und beim ersten Erwärmungs- oder Kühlzyklus bricht sie sofort, wenn das Innenrohr aus Keramikmaterial ist. Wenn das Metallhilfsteil auf der Stirnfläche des Rohrs angeordnet wird, tritt dieses Phänomen nicht auf. Das gewellte Metallhilfsteil kann in ringförmiger Gestalt angebracht werden, um auf diese Weise einen Übergang zwischen der Stirnfläche eines Keramikrohrs und eines Metallrohrs zu schaffen. Auf diese Weise können Dichtungsprobleme vermieden werden, die auftreten, wenn Keramikrohre beispielsweise in Wärmetauschern oder Trenn- bzw. Sortieranlagen verwendet werden, da die Dichtung von dem Metallteil übernommen werden kann, das mit herkömmlichen Techniken wie beispielsweise Schweißen zum Beispiel an einer Rohrplatte befestigt werden kann.
Um auch eine Ausdehnung in der Richtung im rechten Winkel zur Oberfläche des Keramikteils zu absorbieren, kann ein weiteres Metallhilfsteil vorhanden sein, das in dieser Richtung flexibel ist. Ein Beispiel ist hier ein Faltenbalg. Das Keramikteil ist vorzugsweise gesintertes Aluminiumoxid. Wie vorstehend angegeben, treten Probleme insbesondere aufgrund des Unterschieds des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Keramikteil und dem Metallteil auf, wenn das Metallteil aus rostfreiem Stahl ist, und da in der Verarbeitungsindustrie im allgemeinen rostfreier Stahl verwendet wird, liefert die Erfindung eine besonders geeignete Lösung hierfür. Das Hartlot ist vorzugsweise ein Hartlot auf der Basis von TiCuSil.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Metallteil und einem Keramikteil, das die mögliche maschinelle Bearbeitung einer Oberfläche des Keramikteils und das unmittelbar anschließende Aufbringen einer Hartlotschicht darauf umfaßt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Metallhilfsteil zwischen dem Metallteil und dem Keramikteil angeordnet, wobei das Hilfsteil an das Keramikteil gelötet wird und in der Richtung parallel zur Oberfläche des Keramikteils flexibel ist. In diesem Fall wird die Schicht aus Hartlot unmittelbar auf die Oberfläche aufgebracht, ohne daß eine weitere Behandlung wie beispielsweise ein Vorbenetzen ausgeführt wird. Die oben beschriebenen Maßnahmen bedeuten, daß die Keramikteile keine strengen Standards hinsichtlich der Abmessung und Formtoleranzen aufweisen müssen, damit die gelötete Verbindung zuverlässig ist. Demzufolge besteht keine Notwendigkeit für die komplizierten und teuren Vorgänge des zylindrischen oder konischen Zuschleifens des Keramikteils. Selbstverständlich ist die Materialauswahl der verschiedenen Teile an die herrschenden korrodierenden und thermischen Bedingungen angepaßt, und es werden solche geometrische Formen hergestellt, daß die Zug- und Biegebeanspruchungen sowohl während des Lötzyklus (Abkühlphase) als auch während thermischer Zyklen im Laufe des Betriebs auf einem ausreichend niedrigen Niveau bleiben.
Die Erfindung wird nachstehend ausführlich unter Bezug auf in den Zeichnungen gezeigte Ausführungsformen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 in Seitenansicht eine Metall-Keramik-Verbindung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 die teilweise weggebrochene Metall-Keramik-Verbindung gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine Anwendung der Metall-Keramik-Verbindung gemäß Fig. 1 und 2; und
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer Metall-Keramik-Verbindung gemäß der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein Keramikteil 1, das mit einem Metallteil 2 zu verbinden ist. Zu diesem Zweck wird ein Metallhilfsteil 3 verwendet, das vorzugsweise mit dem Metallteil 2 einstückig ist. Ein Axialfaltenbalg 4 kann dazwischen angeordnet sein. Das Dickenverhältnis der verschiedenen Teile ist aus Fig. 2 besser ersichtlich, die außerdem zeigt, daß das Metallhilfsteil 3 mittels einer Schicht 6 aus Hartlot mit dem Keramikteil 1 verbunden ist. Wenn Erwärmen oder Abkühlen bewirkt, daß die Ausdehnung des Keramikteils beträchtlich von der Ausdehnung des Metallteils 2 abweicht, wird eine derartige Differenz von dem gewellten Teil 3 absorbiert. Letzteres besteht aus einem relativ dünnen Metallteil, das den Bewegungen der Stirnfläche des Keramikteils 1 oder des Rohrs 2 leicht folgen kann.
Die vorstehend beschriebene Verbindung wird durch Vorsehen des Metallhilfsteils 3 hergestellt. Dieses kann, muß aber nicht bereits mit dem Axialfaltenbalg 4 oder dem Metallteil 2 verbunden sein. Das Keramikrohr 1 wird dann, erforderlichenfalls nach einer Vorbearbeitung, mit einer Schicht aus Lot versehen und, während das Metallhilfsteil 3 gleichzeitig erhitzt wird, gegen das Keramikrohr 1 gedrückt, so daß eine Verbindung hergestellt wird. Es ist klar, daß der Axialfaltenbalg dazu verwendet wird, um Spannungen in der Axialrichtung der auf diese Weise erhaltenen Rohranordnung zu absorbieren.
Fig. 3 zeigt die Verwendung der auf diese Weise erhaltenen Rohranordnung auf der Basis eines Wärmetauschers. In diesem Fall ist der Einlaß eines derartigen Wärmetauschers mit 7 und der Auslaß mit 8 bezeichnet. Material fließt in erster Linie durch das Zentralrohr 17 in der Zeichnung, kehrt in der Kammer 9 um und bewegt sich durch die Rohre 1 zum Auslaß 8 zurück.
Fig. 4 zeigt eine weitere Möglichkeit zum Verbinden eines Keramikteils 11 mit einem Metallteil 12. Hier besteht das Metallhilfsteil aus einer Anzahl an Metallstreifen oder -haaren bzw. -fasern 13, die in die Schicht aus Lot 16 eingefügt sind. Eine derartige Verbindung ist in jenen Fällen wichtig, in denen eine Zugbeanspruchung auf die verschiedenen Teile ausgeübt wird.
Das Keramikteil kann beispielsweise mittels eines aktiven Lots, das heißt eines Lots, bei dem zuvor eine Fixierung auf einer eutektischen Ag/Cu-Basis mit einem Zusatz von 2,5% Ti nicht notwendig ist, an dem Metallteil angelötet werden. Das Metallteil 2 kann beispielsweise aus rostfreiem Stahl des Typs AISI 316 hergestellt sein.
Es wurde festgestellt, daß bei einem in nachstehend beschriebener Weise ausgebildeten Metallhilfsteil die zwischen dem Keramikteil und dem Metallteil auftretende Spannung auf extrem effektive Weise beschränkt werden kann. Das sinusförmige Radialfaltenbalgmuster muß in diesem Fall wie folgt hergestellt werden:
Anzahl an sinusförmigen Wellen: 1 bis 1,5 mal dem Rohrdurchmesser in mm
Amplitude: 0,3 bis 0,4 mal der Wandstärke des Rohrs in mm
Höhe der Form des Radialfaltenbalgs: 0,2 bis 1 mal dem Rohrdurchmesser in mm, mit einem Minimum von 3 mm
Wandstärke: zwischen 0,05 und 0,4 mm
Obwohl die Erfindung vorstehend unter Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, ist klar, daß verschiedene Modifikationen ausgeführt werden können, ohne den Bereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Insbesondere bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist eine große Anzahl an Variationen denkbar. Die vorgenannten Streifen können gekrümmt sein oder nicht, sie können gewellt oder auf andere Weise ausgestaltet sein.

Claims

1. Metall-Keramik-Verbindung, umfassend ein Metallteil (2, 12) und ein Keramikteil (1, 11), bei der eine Schicht (6, 16) aus Metallhartlot auf die Oberfläche des Keramikteils aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Metallhartlot auf der anderen Seite mit einem Metallhilfsteil verbunden ist, das zumindest in der Richtung parallel zur Oberfläche des Keramikteils flexibel ist, und daß das Metallhilfsteil mit dem Metallteil verbunden ist.

2. Verbindung nach Anspruch 1, bei der das Metallhilfsteil eine Anzahl an Metallstreifen (13) umfaßt.

3. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Metallhilfsteil eine gewellte Platte umfaßt.

4. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sowohl das Metallteil als auch das Keramikteil ein Rohr umfassen und die Oberfläche des Keramikteils die Rohrstirnfläche umfaßt.

5. Verbindung nach Anspruch 4, bei der ein ringförmiges gewelltes Metallhilfsteil (3) mit der Rohrstirnfläche verbunden ist.

6. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein weiteres Metallhilfsteil vorhanden ist, das in der Richtung im rechten Winkel zur Keramikoberfläche flexibel ist.

7. Verbindung nach Anspruch 6 zusammen mit Anspruch 4 oder 5, bei der das weitere Metallhilfsteil einen Faltenbalg (4) umfaßt.

8. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Keramikteil gesintertes Al&sub2;O&sub3; umfaßt.

9. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Metallteil rostfreien Stahl umfaßt.

10. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Hartlot ein Hartlot auf der Basis von TiCuSil ist.

11. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Metallteil und einem Keramikteil, das das Aufbringen einer Hartlotschicht auf die Oberfläche des Keramikteils umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallhilfsteil zwischen dem Metallteil und dem Keramikteil angeordnet wird, wobei das Hilfsteil an das Keramikteil angelötet wird und in der Richtung parallel zur Oberfläche des Keramikteils flexibel ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem unmittelbar vor dem Aufbringen einer Hartlotschicht die betreffende Oberfläche des Keramikteils maschinell bearbeitet wird.