DE69712143T2

DE69712143T2 - Verbundenes Keramik-Metall-Bauteil

Info

Publication number: DE69712143T2
Application number: DE69712143T
Authority: DE
Inventors: Masato Taniguchi
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2017-08-30
Also published as: EP0826648A1; DE69712143D1; JP3515334B2; US6110605A; EP0826648B1; KR19980019165A; JPH10120476A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein hartgelötetes verbundenes Bauteil, wie etwa ein verbundenes Keramik-Metall-Bauteil, und insbesondere auf ein verbundenes Keramik-Metall-Bauteil für die Verwendung bei einem Stößel einer Maschine, einem Maschinenteil, wie etwa einem Ventilheber, einem Werkzeug, wie etwa einem Schneidwerkzeug, und einem elektronischen Bauteil.
Ein verbundenes Keramik-Metall-Bauteil, das über die Merkmale verfügt, die im Oberbegriff von Anspruch 1 enthalten sind, ist aus US-A-4426033 bekannt.
Normalerweise wurde ein Aktiv-Hartlötverfahren mit einem aktiven Hartlötmaterial als eines der Verfahren zum Verbinden eines Keramikbauteils und eines Metallbauteils verwendet. Ein verbundenes Bauteil, das unter Anwendung des zuvor genannten Verfahrens hergestellt wird, wurde in der Praxis als Rotor für einen keramischen Turbolader, einen keramischen Stößel und dergleichen verwendet. Das Aktiv-Hartlötverfahren ist ein Verfahren, das der Verbindung des Karmikbauteils und des Metallbauteils durch das aktive Hartlötmaterial einschließlich des aktiven Metalls (Ti, Zr, etc.) dient. Das Aktiv-Hartlötverfahren ist ein Verfahren mit dem Ziel, die Festigkeit zwischen dem Hartlötmaterial und dem keramischen Material zu verbessern. Bei diesem Verfahren wird eine Reaktionsschicht (eine Diffusionsschicht) zwischen dem Hartlötmaterial und dem Keramikbauteil derart ausgebildet, daß das Hartlötmaterial und das Keramikbauteil fest miteinander verbunden werden. Demzufolge können das Keramikbauteil und das Metallbauteil fest miteinander verbunden werden.
Unter den Aktiv-Hartlötmaterialien wurde ein Hartlötmaterial, bestehend aus einer In-Cu-Ag-Ti-Legierung, mit einem niedrigen Schmelzpunkt (Festphasentemperatur: 600ºC bis 750ºC) verwendet, um Bauteile, wie etwa Gleitteile für ein Kraftfahrzeug, gemäß einem Verfahren zu verbinden, mit dem es möglich ist, den Unterschied des Schrumpfens (die thermische Spannung) auf ein Minimum zu reduzieren, der aufgrund des thermischen Ausdehnungsunterschiedes eines Keramikbauteils und eines Metallbauteils auftritt. Eine Technik zum direkten Hartlöten von Si&sub3;N&sub4; und Ni- Cr-Mo-Stahl (JIS SNCM630) unter Verwendung einer In-Cu-Ag-Ti-Legierungs-Hartlötmaterials wurde beispielsweise als Technik etwa zum Herstellen von Stößeln, Kippihebeln oder Ventilbrücken beschrieben (siehe ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (kokai) No. 2-199073). Zusätzlich zum vorgenannten Hartlötmaterial mit dem niedrigen Schmelzpunkt, wurde eine Technik zum Herstellen der zuvor genannten Gleitteile unter Verwendung eines Hartlötmaterials (Festphasentemperatur 900ºC oder höher) aus den Aktiv-Hartlötmaterialien in der Praxis eingesetzt.
Obwohl die oben erwähnten Hartlötmaterialien als Hartlötmaterialien verwendet wurden, wurde das verbundene Bauteil nicht zufriedenstellend ausgeführt.
Darüber hinaus verfügt das verbundene Bauteil, das unter Verwendung des herkömmlichen Hartlötmaterials verbunden wurde, über eine ausreichende Anfangsfestigkeit gegen Dehnspannungen, Druckspannungen und Torsionsspannungen. Zusätzlich zu den oben erwähnten einfachen Spannungen, sind die praktischen Erzeugnisse, bei denen das verbundene Bauteil zur Anwendung kommt, harten Bedingungen ausgesetzt, wie etwa thermischen Spannungen, die durch den thermischen Ausdehnungsunterschied der Bauteile erzeugt werden, der auftritt, nachdem sich die Temperatur geändert hat, und Materialermüdungen, die durch lange Benutzung hervorgerufen werden. Daher kann das verbundene Bauteil, bei dem das herkömmliche Hartlötmaterial verwendet wird, die Anforderungen bisweilen nicht erfüllen.
Für den Fall eines Stößels einer Brennkraftmaschine, der aus einer Nocke mit einer Gleitfläche besteht, die durch ein keramisches Bauteil ausgebildet ist, steigt die Temperatur eines Verbindungsbereiches, der das Keramikbauteil, das Metallbauteil (der Körper des Stößels) und das Hartlötmaterials aufgrund der Wärme, die während des Gleitvorgangs und durch das Maschinenöl erzeugt wird, auf etwa 200ºC an. Der Temperaturanstieg verursacht die Erzeugung einer thermischen Spannung, hervorgerufen durch den Unterschied der thermischen Ausdehnung zwischen dem Keramikbauteil (beispielsweise Si&sub3;N&sub4;) und dem Metallbauteil. Infolge dessen wird die Dehngrenze des Hartlötmaterials beeinträchtigt. Darüber hinaus findet eine Ermüdung (Ermüdung des Hartlötmaterials) nach langer Gebrauchszeit statt. Da das Hartlötmaterial eine zufriedenstellende Reaktionsfähigkeit mit dem keramischen Teil realisieren soll, findet eine Ermüdung und Trennung zwischen dem Keramikmaterial und dem Hartlötmaterial nicht sehr einfach statt. Dennoch führt der zuvor erwähnte Temperaturanstieg manchmal zu einer Beeinträchtigung, wie etwa Trennung, zwischen dem Metallbauteil und dem Keramikmaterial, wenn das Erzeugnis eingesetzt wird.
Da die Haftfestigkeit zwischen dem Metallbauteil und dem Hartlötmaterial vom Grad der Benetzbarkeit der Verbindungsfläche auf dem Metallbauteil abhängt, könnte in Betracht gezogen werden, ein Verfahren zur Verbesserung der Benetzbarkeit und zum Verhindern einer Trennung zwischen dem Metallbauteil und dem Hartlötmaterial voneinander anzuwenden. Die Anwendung lediglich des zuvor genannten Verfahrens bedeutet jedoch eine Einschränkung der ausreichenden Verbesserung der Haftfestigkeit.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbundenes Keramik-Metall-Bauteil anzugeben, das eine zufriedenstellende Verbindungsfestigkeit verfügt, mit der es möglich ist, eine Trennung zwischen einem Metallbauteil und einem Hartlötmaterial selbst dann zu verhindern, wenn eine thermische Spannung oder dergleichen im Verbindungsbereich aufgrund des Unterschiedes der thermischen Ausdehnung zwischen den Bauteilen auftritt.
Das oben genannte Ziel wird gemäß der Erfindung durch ein verbundenes Keramik- Metall-Bauteil mit den Merkmalen nach Anspruch 1 erreicht.
Bei dem verbundenen Keramik-Metall-Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, selbst wenn eine Wärmespannung am Verbindungsbereich aufgrund des Unterschiedes der Wärmeausdehnung zwischen den Metall- und den Keramikbauteilen hervorgerufen wird, möglich, ein verbundenes Keramik-Metall-Bauteil zu erzeugen, das über eine hohe Verbindungsfestigkeit verfügt, die eine Trennung des Metallbauteils und des Hartlötmaterials verhindern kann.
Beim oben beschriebenen verbundenen Keramik-Metall-Bauteil zeigt sich die Funktion von Si, Ti und Fe in ausreichendem Maße, so daß es möglich ist, die Benetzbarkeit mit dem Hartlötmaterial des Metallbauteils und des Keramikbauteils zu verbessern und die Festigkeit der Hartlotschicht dadurch zu verbessern, daß der plastische Fluß von Cu verhindert wird.
Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In diesen ist/sind:
Fig. 1 eine Querschnittansicht eines Stößels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Fotografie, die die metallographischen Struktur des Stößels gemäß der Ausführungsform zeigt, die man mit einem SEM erhält;
Fig. 3a und 3b Fotografien, die den metallographischen Aufbau des Stößels gemäß der Ausführungsform darstellen, die man durch Analysieren der Elementverteilung unter Verwendung einer EPMA erhält;
Fig. 4A bis 4C Fotografien, die den metallographischen Aufbau des Stößels gemäß der Ausführungsform zeigen, die man durch Analysieren der Elementverteilung unter Verwendung der EPMA erhält;
Fig. 5 ein Diagramm, das einen Verbindungsbereich des Stößels gemäß der Ausführungsform und ein Verfahren zum Analysieren der Zusammensetzung des Verbindungsbereiches zeigt;
Fig. 6A und 6B die Darstellung eines Verfahrens eines Versuches für das Beispiel, wobei Fig. 6A eine Ansicht zum Erläutern des Verfahrens und Fig. 6B ein Graph ist, der die Temperaturänderungen im Verbindungsbereich zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Nun folgt eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei einem verbundenen Metall-Keramik- Bauteil, das man durch Hartverlöten eines Keramikbauteils und eines Metallbauteils mit einer Hartlotschicht erhält, eine Reaktionsschicht auf der Oberfläche des Metallbauteils benachbart zum Hartlötmaterial ausgebildet, die eine Dicke von nicht weniger als 5 um hat, wobei die Reaktionsschicht zusätzlich zu den Hauptelementen, die das Metallbauteil bilden, Cu im Bereich von 0,5 bis 8 Gew.-% und Si im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 8 Gew.-% enthält.
Das Keramikbauteil ist beispielhaft durch Si&sub3;N&sub4;, AIz03, SiC, AIN und ZrO&sub2; ausgebildet, während das Metallelement beispielhaft in Kohlenstoffstahl für Maschinenbauteile, wie etwa JIS S45C und JIS S50C; Legierungsstahl, wie etwa JIS SCr440, JIS SNC8I5, JIS SCM435, JIS SNCM 420, SNCM 439, SNCM 447 und JiS SNCM630; Edelstahl; Werkzeugstahl und Gußstahl ausgebildet ist. Die speziellen Zusammensetzungen der Metallbauteile sind in Tabelle 1b unten beschrieben.
Das Hartlötmaterial zum Ausbilden der Hartlotschicht ist beispielhaft durch Cu-Si-AI- Ti-, C; u-Si-, Cu-Si-Ti- und Cu-Si-Pd-Ti-Hartlötmaterialien ausgebildet.
Der bevorzugte Bereich für Cu des Hartlötmaterials beträgt 2 bis 6 Gew.-%, während ein bevorzugter Bereich für Si bei 2 bis 6 Gew.-% liegt.
Die oben erwähnte Reaktionsschicht ist, wie in Fig. 5 gezeigt, eine Schicht (mit einer Dicke von beispielsweise 10 um bis 20 um), die durch Diffusion von Bestandteilen, wie etwa dem Hartlötmaterial für die Herstellung einer Verbindung in das Metallbauteil ausgebildet ist. Wenn der Querschnitt der Reaktionsschicht beispielsweise durch EPMA und durch Analysieren der Elementverteilung untersucht wird, können die Reaktionsschicht und weitere Teile des Basismetalls deutlich voneinander unterschieden werden. Übrigens kann sich eine weitere Reaktionsschicht (bei der die Dicke beispielsweise weniger als 3 um beträgt) zwischen dem Hartlötmaterial und dem Keramikbauteil befinden, die durch Diffusion der Bestandteile des Hartlötmaterials in das Keramikbauteil ausgebildet ist.
Darüber hinaus enthält die Hartlotschicht als ihren Hauptbestandteil nicht weniger als 90 Gew.-% Cu und enthält wenigstens Ti, Fe und Si.
Das verbundene Bauteil kann als Stößel für eine Brennkraftmaschine verwendet werden, die man durch Hartverlöten einer Siliziumnitridplatte und eines Stahlkörpers erhält.
Zusätzlich sondern sich Si und Ti der Hartlötmaterialverbindung und Fe, das sich aus dem Metallbauteil löst, im wesentlichen in derselben Position in der Hartlotschicht ab, wobei sich der Bereich der Absonderung in einer Hälfte in der Hartlotschicht auf der Seite des Metallbauteils befindet.
Die Zusammensetzung (Gew.-%) bei der vorliegenden Erfindung ist derart beschaffen, daß die durchschnittliche Zusammensetzung der gesamten Reaktionsschicht den oben erwähnten Bereich erfüllt. Um demzufolge beispielsweise die Zusammensetzung in der Reaktionsschicht durch eine dispersive elektronische Wellenlängen- Spektralanalyse (WDS) zu messen, sollte der Meßpunkt derart gewählt werden, daß die durchschnittliche Zusammensetzung ermittelt werden kann.
Wenn diese Bedingung erfüllt ist, können somit die Meßpunkte optional gewählt werden. Beispielsweise kann der Durchmesser des Punktes (normalerweise der Durchmesser eines kreisförmigen Punktes) etwas geringer eingestellt werden als die Dicke der Reaktionsschicht. Der Durchmesser des Punktes ist jedoch im Bereich von 30 bis 90%, vorzugsweise jedoch 60 bis 90% der Dicke der Reaktionsschicht eingestellt. Die Anzahl der Punkte, die bei der Messung verwendet werden, kann beispielsweise 1 bis 50, vorzugsweise jedoch 10 bis 20 betragen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind wenigstens Cu- und Si-Bestandteile des Hartlötmaterials im Metallbauteil verteilt (das Basismetall oder das Matrixmetall), um so die Reaktionsschicht auszubilden.
Infolge dessen kann die Adhäsion zwischen der Hartlotschicht und dem Metallbauteil verbessert werden. Selbst wenn beispielsweise eine thermische Spannung aufgrund des Unterschiedes der thermischen Ausdehnung erzeugt wird, kann eine Trennung und dergleichen nicht ohne weiteres auftreten.
Da bei der vorliegenden Erfindung die Dicke der Reaktionsschicht ausreichend ist, d. h. nicht weniger als 5 um, kann die Reaktionsschicht als Puffer dienen, wenn der Unterschied der thermischen Ausdehnung zwischen dem Metallbauteil und dem Keramikbauteil vorhanden ist. Die Dicke der Reaktionsschicht liegt bei der vorliegenden Erfindung für die praktische Anwendung beispielsweise im Bereich von 5 bis 50 um. Da die Dicke der Reaktionsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung nicht geringer als 5 um ist, dient sie als Puffer für den Fall, daß ein Unterschied in der Wärmeausdehnung auftritt. Wenn andererseits die Dicke der Reaktionsschicht zu groß ist, werden die mechanischen Eigenschaften des Metallbauteil beeinträchtigt. Demzufolge beträgt die Dicke der Reaktionsschicht bei der vorliegenden Erfindung nicht mehr als 50 um.
Da der Effekt der vorliegenden Erfindung, die in der Lage ist, die Verbindungsfestigkeit zu stärken (Verhinderung der Trennung), hauptsächlich als Ergebnis von Versuchen ermittelt wird, wurden die Funktionen der entsprechenden Bestandteile nicht ausreichend geklärt. Die wahrscheinlichen Auswirkungen der entsprechenden Elemente werden nun beschrieben.
< Cu>
Da Cu auf einfache Weise plastisch verformbar ist, verfügt es über eine große Pufferwirkung. Daher wird, wenn Cu in der Reaktionsschicht mit einem Anteil von nicht weniger als 0,5 Gew.-% enthalten ist, die thermische Spannung beispielsweise durch den Unterschied der thermischen Ausdehnung erzeugt. Somit kann die thermische Spannung gepuffert und davon ausgegangen werden, daß Cu zu einer Verbesserung der Verbindungsfestigkeit beiträgt. Wenn die Menge von Cu größer als 8 Gew.-% ist, wird die mechanische Festigkeit der Matrix beeinträchtigt. Daher wird davon ausgegangen, daß die Menge nicht mehr als 8 Gew.-% betragen muß.
< Si>
Wenn Si in der Reaktionsschicht in einer Größenordnung von nicht weniger als 0,5 Gew.-% enthalten ist, können sowohl die Wärmebeständigkeit als auch die mechanische Festigkeit verbessert werden. Wenn der Si-Anteil größer als 8 Gew.-% ist, wird davon ausgegangen, daß dies ungeeignet ist, da die Matrix zu spröde wird.
Wie bei der Dicke der Reaktionsschicht, beträgt die Dicke 5 um oder mehr, da man eine zufriedenstellende Wirkung mit der oben erwähnten Zusammensetzung der Reaktionsschicht nicht erhalten kann, wenn die Dicke der Reaktionsschicht weniger als 5 um beträgt. Weiterhin kann die Dicke der Reaktionsschicht für die praktische Anwendung 50 um betragen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die Hartlotschicht Cu als Hauptbestandteil in einem Umfang von nicht weniger als 90 Gew.-% und zudem Ti, Fe und Si. Demzufolge kann die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Keramikbauteil und dem Metallbauteil verbessert werden. Die Wirkungen der Elemente in der Hartlötmaterialschicht werden nun erläutert.
< Cu>
Da Cu die Fließfähigkeit des Hartlötmaterials verbessert und über eine exzellente Benetzbarkeit verfügt sowie auf einfache Art und Weise plastisch verformt werden kann, kann eine starke Pufferwirkung erzielt werden, weshalb sich Cu als Bestandteil des Hartlötmaterials eignet. Somit ist es vorzuziehen, daß Cu im Hartlötmaterial in einem Umfang von nicht weniger als 90 Gew.-% enthalten ist.
< Si>
Si ist in der Lage, die Benetzbarkeit von Metall zu verbessern. Wenn die Si-Menge zu groß ist, vermindert sich die Dehnbarkeit, wenn das Hartlötmaterial vorbereitet wird. Somit ist es vorzuziehen, daß der Si-Anteil in der Hartlötmaterialschicht im Bereüch von 0,1 bis 5 Gew.-% liegt.
< Ti>
Ti verbessert hauptsächlich die Benetzbarkeit von Keramik und trägt am meisten zur Verfestigung der Verbindung von Keramik bei. Wenn der Ti-Anteil zu groß ist, erhöht sich die Härte der Hartlötmaterialschicht, wodurch die Hartlötmaterialschicht unerwünscht spröde wird. Somit sollte der Anteil im Bereich von 0,1 bis 5 Gew.-% liegen.
< Fe>
Fe, das sich aus der Matrix löst, verhindert den plastischen Fluß von weichem Cu in der Hartlötmaterialschicht. Somit kann die Festigkeit der Hartlötmaterialschicht verbessert werden. Daher ist es vorzuziehen, daß die Fe-Menge im Bereich von 0,1 bis 5 Gew.-% liegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, sofern das verbundene Keramik-Metall- Bauteil als Stößel für eine Brennkraftmaschine verwendet wird, den man durch Hartverlöten einer Siliziumnitrid-Keramikplatte und eines Stahlkörpers erhält, möglich, die Verbindungsfestigkeit zu verbessern. Selbst wenn beispielsweise aufgrund thermischer Ausdehnung eine thermische Spannung erzeugt wird, kann eine Trennung und dergleichen zwischen dem Metallbauteil und der Hartlötmaterialschicht verhindert werden.
Darüber hinaus sondern sich gemäß der vorliegenden Erfindung Si und Ti des Hartlötmaterialbestandteils und Fe, das aus dem Metallbauteil austritt, an der im wesentlichen selben Position in der Hartlotschicht ab, wobei sich der Absonderungsteil in einer Hälfte in der Hartlotschicht auf der Seite des Metallbauteils befindet. Demzufolge kann sich der Effekt von Si, Ti und Fe ausreichend auswirken. Somit kann die Benetzbarkeit von Metall und Keramik verbessert werden, wobei es mögllich ist, den plastischen Fluß zu verhindern und dadurch die Festigkeit des Hartllötmaterials zu verbessern.

Beispiele

Beispiele des verbundenen Keramik-Metall-Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung werden im folgenden beschrieben.
Bei diesem Beispiel wird das verbundene Keramik-Metall-Bauteil der vorliegenden Erfindung als Stößel bei einem Ansaugventil oder einem Auslaßventil einer Brennkraftmaschine verwendet.
(1) Ein Herstellungsverfahren des Stößels wird im folgenden beschrieben.
Wie in Fig. 1 dargestellt, wurden beide Oberflächen eines gesinterten Si&sub3;N&sub4; Materials, das zu einer scheibenähnlichen Form gegossen und gesintert wurde, geschliffen (poliert). Somit wurde eine Scheibe 1 mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Dicke von 2 mm als Keramikbauteil vorbereitet.
Andererseits wurde als Metallbauteil ein Stahlstab-Bauelement, bestehend aus JIS SNC; M 630 geschnitten, um einen Stößelkörper 3 mit einer Höhe von 78 mm, einem Durchmesser auf der Verbindungsflächenseite von 30 mm und einem Durchmesser auf einer Schaftseite von 20 mm vorzubereiten.
Das Hartlötmaterial (siehe beispielsweise die folgende Tabelle 1) mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Dicke von 0,05 mm wurde zwischen der Verbindungsfläclhe des Stößelkörpers 3 und der Scheibe 1 angeordnet. Anschließend wurde es bei einem Unterdruck von 10~ bis 10~ Torr auf eine Temperatur erwärmt, bei der das Hartlötmaterial schmilzt, und anschließend abgekühlt. Auf diese Weise wurden der Stößelkörper 3 und die Scheibe 1 miteinander hartverlötet, um so den Stößel 5 auszubilden.
Bei diesem Hartlötvorgang wird das Hartlötmaterial zu einer Hartlotschicht 4 geschmolzen und die Reaktionsschicht 6 auf der Stirnfläche des Stößelkörpers 3 benachbart zur Hartlotschicht 4 ausgebildet.
Tabelle 1A zeigt Typen des Stößelkörpers (Metallbauteil) und der Scheibe (Keramikbauteil) sowie des Hartlötmaterials, die bei diesem Beispiel verwendet wurden, und Bedingungen der Wärmebehandlung, denen die Materialien zusammen mit jenen von Vergleichsbeispielen ausgesetzt wurden.
In Tabelle 1A sind die Proben No. 1 bis 13 Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung und die Proben No. 14 bis 25 Vergleichsbeispiele. Die Metallbauteile, die in Tabelle 1A aufgeführt sind, sind durch den japanischen Industriestandard (JiS) definiert. Spezielle chemische Zusammensetzungen sind in Tabelle 1 B aufgeführt. Tabelle 1A Tabelle 1 B
(*1) Metallmaterial sollte nicht mehr als 0,30% Cu als Verunreinigung enthalten.
(*2) Metallmaterial sollte nicht mehr als 0,25% Ni und nicht mehr als 0,30% Cu als Verunreinigungen enthalten.
(*3) Metallmaterial sollte nicht mehr als 0,30% Cu, nicht mehr als 0,20% Ni, nicht mehr als 0,20% Cr und nicht mehr als 0,35% Ni + Cr enthalten.
Die Probe No. 8, die in Tabelle 1A gezeigt ist, wurde durch aufeinanderfolgendes Sputtern von Ti in einer Dicke von 0,3 um, Mo in einer Dicke von 0,5 um und Cu in einer Dicke von 0,5 um auf einer Scheibe (Keramikelement) ausgebildet.
(2) Nun wird das Verfahren zum Analysieren der Zusammensetzung des Verbindungsbereiches des Stößels 5 beschrieben.
Von den hergestellten Stößeln 5 wurden beispielsweise die Stößel 5, bestehend beispielsweise aus Cu-Al-Si-Ti als Hartlötmaterial, senkrecht zu deren Verbindungsfläche geschnitten. Anschließend wurde die SEM-Fotografie ihrer Querschnitte erstellt. Ein Ergebnis ist in Fig. 2 dargestellt. Der Stößelkörper 3 (Metallbauteil), die Hartlotschicht sowie die Scheibe 1 (Keramikbauteil) wurden in dieser Reihenfolge, vorn linken Teil in der Zeichnung ausgehend, ausgebildet. Es versteht sich, daß die Reaktionsschicht (Diffusionsschicht) nicht nur im Bereich des Metallbauteils benachbart zur Hartlötmaterialschicht ausgebildet wurde, sondern auch im Bereich des Keramikbauteils benachbart zum Hartlötmaterial. Nebenbei ist die Dicke der Real; tionsschicht des Keramikbauteils, die benachbart zum Hartlötmaterial ausgebildet ist, sehr gering, im Vergleich zur Reaktionsschicht des Metallbauteils, die benachbart zum Hartlötmaterial ausgebildet ist. Obwohl die Dicke der Reaktionsschicht des Metallbauteils im Bereich von 5 bis 50 um liegt, beträgt jene der Reaktionsschicht des Keramikbauteils 0,1 bis 3 um.
Darüber hinaus wurde der Querschnitt des Verbindungsbereiches durch EPMA anahysiert und ein Zustand untersucht, bei dem Ti, Cu, Si, Al und Fe vorhanden waren. Ergebnisse sind in Fig. 3A bis 4C dargestellt, die Fotografien der Ergebnisse der EPMA-Analyse sind. Von den Zeichnungen stellt Fig. 3A einen Verteilungszustand von Ti, Fig. 3B einen Verteilungszustand von Cu, Fig. 4A einen Verteilungszustand von Si, Fig. 4B einen Verteilungszustand AI und Fig. 4C einen Verteilungszustand von Fe dar. Unter Bezugnahme auf Fig. 3A bis 4C stellen weiße Bereiche jene Bereiche dar, in denen die betreffenden Bestandteile vorhanden sind.
Wie aus Fig. 3A bis 4C ersichtlich ist, enthalten die Reaktionsschichten benachbart zum Metallbereich Cu und Si. Zudem sind Ti und AI in geringen Mengen enthalten, wenngleich die Anteile geringer sind als Cu und Si.
Wenn die Zusammensetzung im Verbindungsbereich des Stößels 5 analysiert wird, werden zehn willkürliche Positionen in der Reaktionsschicht durch WDS (dispersive elektronische Wellenlängen-Spektralanalyse) analysiert. Die oben erwähnte Analyse wird für jede Probe durchgeführt, die in Tabelle 1A aufgeführt ist. Die Ergebnisse sind, zusammen mit der Dicke der Reaktionsschicht, in den folgenden Tabellen 2 und 3 gezeigt.
Die WDS-Analyse wurde als Punktanalyse derart ausgeführt, daß die Reaktionsschicht bei Punkten gemessen wurde, die jeweils einen Durchmesser von 5 um aufweisen, und die Hartlötmaterialschicht bei Punkten gemessen wurde, die jeweils einen Durchmesser von 20 um haben. Jeder Durchschnittswert von 10 Bereichen wurde als Zusammensetzung jeder Schicht verwendet. Obwohl der Durchmesser des Strahls auf die Dicke der Reaktionsschicht vergrößert werden kann, um diesen so groß zu machen wie den Durchmesser des Punktes, ist es vorzuziehen, daß ein Durchschnittswert von zehn oder mehr Bereichen (10 bis 20 Bereiche) als Zusammensetzung verwendet wird.
(3) Ein Verfahren eines Versuches zum Untersuchen des Verbindungsgrades (Bewertungsverfahren) wird im folgenden beschrieben.

Versuch 1

Wie in Fig. 6A gezeigt, wurde der hergestellte Stößel 5 einem Thermozyklus-Testgerät ausgesetzt, um die Zahl von Zyklen zu zählen, nach denen der Verbindungsbereich beeinträchtigt (getrennt) wird.
Insbesondere wurden ein Vorgang zum Einführen des Stößels 5 in einen Ofen, dessen Temperatur 800ºC betrug, sowie das Aufwärmen für 200 Sekunden und ein Kühlvorgang durch Blasen von Luft auf den Verbindungsbereich des Stößels 5 für 50 Sekunden nach dem Aufwärmvorgang wiederholt (ein Aufwärmvorgang und ein Kühlvorgang bilden einen Zyklus). Auf diese Weise wurde die Zykluszahl, nach der die Trennung im Verbindungsbereich stattfand, gemessen. Fig. 6B zeigt die Temperaturänderung, die durch das Aufwärmen und das Abkühlen stattfindet. Ergebnisse der Versuche, denen die Proben ausgesetzt waren, sind in Tabelle 2 und 3 gezeigt.
Nebenbei ist der Unterschied der Reaktionsschicht in den Tabellen 2 und 3 hauptsächlich auf die Verbindungstemperatur, die Haltezeit und auf das Material des Metalls zurückzuführen. Der Unterschied der Zusammensetzungen wird durch den Unterschied des jeweiligen Bestandteils verursacht, der für die Verbindung verwendet wird.

Versuch 2

Der hergestellte Stößel 5 wurde auf einer Nockenbewegungs-Testeinrichtung angebracht, so daß die Zykluszahl, nach der der Verbindungsbereich beeinträchtigt wurde, in ähnlicher Weise nachgewiesen wurde, wie beim oben beschriebenen Versuch.
Insbesondere betrug die Drehzahl der Nocke 3.000 U/min. das Spiel des Stößels 1,5 mm und die Kraft der Feder 350 kgf. Die Nocke wurde gedreht, um den Stößel derart zu betätigen, daß ein Zustand der Erzeugung der Trennung im Verbindungsbereich nachgewiesen wurde. Die Zykluszahl bezeichnet die Drehzahl der Nocke.
Zudem sind die Ergebnisse der Versuche, denen die Proben ausgesetzt waren in den folgenden Tabellen 2 bis 3B aufgeführt.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Probennummern, die in Tabelle 1A aufgeführt sind, den Probennummern aus Tabelle 2 bis 3B entsprechen. Dieselben Proben verfügen über dieselben Nummern. Tabelle 2
*1: Meßbereich (A oder B, wie in Fig. 5 gezeigt)
*2: Dicke der Reaktionsschicht (um)
Bei den oben erfolgten Versuchen 2 und 3 erfüllen alle Proben No. 1 bis 13, die die Beispiele der vorliegenden Erfindung sind, die Anforderungen. Beim Versuch 2 trat bei allen Proben keine Trennung im Verbindungsbereich auf, auch wenn die Zykluszahl 1 · 104 beträgt. Weiterhin zeigte sich in Versuch 3 bei allen Proben keine Trennung im Verbindungsbereich, selbst wenn die Zykluszahl 1 · 106 beträgt. Tabellle 3
*3. Probe No.
*4: Meßbereich (A oder B, wie in Fig. 5 dargestellt)
*5: Dicke der Reaktionsschicht
*6: weitere Tabelle 3
Wie aus den Tabellen 1A, 2, 3A und 3B zu erkennen ist, waren die verbundenen Bauteile (Proben No. 1 bis 13) der Beispiele, die jeweils über die Reaktionsschicht in der Dicke und der Zusammensetzung im Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung verfügen, zu bevorzugen, da keine Trennung selbst nach der Durchführung der Versuche 1 und 2 auftrat. Andererseits lieferten die verbundenen Bauteile (Proben No. 14 bis 25) der Vergleichsbeispiele, die nicht die oben erwähnten Bereiche erfüllten, unerwünschte Werte.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben erwähnten Beispiele beschränkt, und die vorliegende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform kann in den Konstruktionsdetails und in der Kombination sowie der Anordnung der Teile abgeändert werden, ohne vom Geist und Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.
(1) Die Reaktionsschicht ist ausgebildet, weil das Hartlötmaterial in den Metallabschnitt infolge der Wärmebehandlung verteilt wird, die durch den Hartlötvorgang ausgeführt wird.
Daher können die Bestandteile, die die Zusammensetzung der Reaktionsschicht ausbilden, zuvor im Hartlötmaterial enthalten sein. Alternativ dazu kann eine Metallisierungsschicht, die die oben erwähnten Bestandteile enthält, auf der Verbindungsfläche des Metallbauteils durch Plattieren, Vakuumbedampfen oder Sputtern derart ausgebildet werden, daß sie in die Reaktionsschicht durch die Wärmebehandlung verteilt und eingeleitet wird, die durch den Hartlötvorgang ausgeführt wird. Das bedeutet, beide Verfahren können angewendet werden, sofern die Zusammensetzung der Reaktionsschicht, die durch den Hartlötvorgang ausgebildet wird, den Bereich der Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllt.
(2) Als Verfahren für die Messung der Zusammensetzung der Reaktionsschicht, können beispielsweise EPMA, EDS mit SEM oder WDS angewendet werden.

Claims

1. Verbundenes Keramik-Metall-Bauteil, enthaltend:

- ein Keramikbauteil

- ein Metallbauteil; und

- eine Hartlotschicht, mit der das Keramikbauteil und das Metallbauteil hartverlötet sind;

wobei das Metallbauteil eine Reaktionsschicht benachbart zur Hartlotschicht enthält und die Reaktionsschicht eine Dicke von nicht weniger als 5 um aufweist und Cu im Bereich von 0,5 bis 8 Gew.-% sowie Si im Bereich von 0,5 bis 8 Gew.-% enthält, wobei die Hartlotschicht Cu in einem Umfang von nicht weniger als 90 Gew.-%, Rest Titan, Eisen und Silizium enthält, wobei sich Si und Ti der Hartlotschicht und Fe, das aus dem Metallelement austritt, in der im wesentlichen selben Position in der Hartlotschicht absondern und der Absonderungsbereich in einer Hälfte in der Hartlotschicht benachbart zum Metallbauteil liegt.

2. Verbundenes Keramik-Metall-Bauteil nach Anspruch 1, bei dem das verbundene Elennent ein Stößel für eine Brennkraftmaschine ist und das Keramikbauteil eine Siliziumnitrid-Keramikplatte und das Metallbauteil ein Stahlkörper ist

3. Verbundenes Keramik-Metall-Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die Dicke der Reaktionsschicht im Bereich von 5 bis 50 um liegt.

4. Verbundenes Keramik-Metall-Bauteil nach Anspruch 2, bei dem ein Anteil von Ti in der Hartlotschicht im Bereich von 0,1 bis 5 Gew.-% liegt.

5. Verbundenes Keramik-Metall-Bauteil nach Anspruch 2, bei dem ein Anteil von Fe in der Hartlotschicht im Bereich von 0,1 bis 5 Gew.-% liegt.

6. Verbundenes Keramik-Metall-Bauteil nach Anspruch 2, bei dem ein Anteil von Si in der Hartlotschicht im Bereich von 0,1 bis 5 Gew.-% liegt.

7. Verbundenes Keramik-Metall-Bauteil nach Anspruch 1, bei dem das Metallbauteil Cu im Bereich von 2 bis 6 Gew.-% und Si im Bereich von 2 bis 6 Gew.-% enthält.

8. Verbundenes Keramik-Metall-Bauteil nach Anspruch 1, bei dem das Keramikbauteil eine Reaktionsschicht enthält.

9. Verbundenes Keramik-Metall-Bauteil nach Anspruch 8, bei dem die Reaktionsschicht des Keramikbauteils eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 3 um hat.

10. Verbundenes Keramik-Metall-Bauteil nach Anspruch 8, bei dem das Keramikbauteil eine Reaktionsschicht mit einer Dicke im Bereich von 0,1 bis 3 um enthält.