DD284666A5

DD284666A5 - Verfahren zum verbinden keramischer koerper miteinander

Info

Publication number: DD284666A5
Application number: DD88315963A
Authority: DD
Inventors: Marc S Newkirk; Robert C Kantner; Eugene S Park
Original assignee: ��@��@��Kk��
Priority date: 1987-05-21
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1990-11-21
Also published as: CS8803447A3; EP0292420B1; BR8802469A; NZ224729A; NO882032L; IL86445A; FI882396L; FI90409B; NO176139C; EP0292420A1; DE3889005T2; IL86445A0; FI90409C; JPS6452684A; KR960001433B1; PT87548A; ATE104262T1; KR880013852A; PH25357A; DK268288D0

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Verbinden keramischer Koerper miteinander. Zwei oder mehrere keramische Koerper werden miteinander verbunden durch Oxidation eines geschmolzenen Metalles mit einem gasfoermigen Oxidationsmittel, wobei eine Bindung aus einem Oxidationsreaktionsprodukt ausgebildet wurde. Das Oxidationsreaktionsprodukt wurde zwischen benachbart gegenueberliegenden, im wesentlichen kongruenten Oberflaechen der keramischen Koerper gebildet und ist die Bruecke zu den Oberflaechen, die somit die keramischen Koerper aneinander bindet. Es koennen gegebenenfalls Beschleuniger eingesetzt werden, um die Bildung des Oxidationsreaktionsproduktes zu erleichtern. Fig. 1, 1 A, 1 B{keramische Koerper; Oxidation; geschmolzenes Metall; gasfoermiges Oxidationsmittel; Oxidationsreaktionsprodukt; Bindung; kongruente Oberflaechen; Beschleuniger}

Description

Verfahren zum Verbinden keramischer Körper miteinander

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im weitesten Sinne das Verbinden keramischer Körper miteinander und insbesondere betrifft sie Verfahren und Vorrichtungen zum Verbinden keramischer Körper miteinander durch Ausbilden eines Oxidationsreaktionsproduktes, um die im wesentlichen kongruenten Oberflächen der Körper zu überbrücken und dadurch zu verbinden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Ohne an eine bestimmte theoretische Deutung gebunden sein zu wollen, kann diese Wachstumserscheinung unter Bezug auf die Lehren nach der US-Patentanmeldung Nr. 818943 erklärt werden. Nach der dort beanspruchten Erfindung wird ein Metallprecursor, z. B. Aluminium (als Vorläufermetall (parent metall) bezeichnet) in Gegenwart eines gasförmigen Oxidationsmittels, ζ. B. Luft, auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes erhitzt, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Oxidationsreaktionsproduktes, um einen Körper aus geschmolzenem Vorläufermetall zu bilden. Im Falle eines Aluminiumprecursormetalles und Luft als Oxidationsmittel liegt dieser Temperaturbereich normalerweise zwischen etwa 850 und etwa 1450 ⁰C. Das geschmolzene Vorläufermetall wird mit dem gasförmigen Oxidationsmittel umgesetzt, um ein Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden, das wenigstens teilweise in Kontakt mit dem geschmolzenen Vorläufermetallkörper und dem gasförmigen Oxidationsmittel gehalten wird und sich dazwischen erstreckt. In diesem Temperaturbereich wird das geschmolzene Vorläufer-

metall durch das vorher gebildete Oxidationsreaktionsprodukt in Richtung des gasförmigen Oxidationsmittels transportiert.

Wenn »das geschmolzene Vorläufermetall mit dem gasförmigen Oxidationsmittel an der Grenzfläche zwischen gasförmigem Oxidationsmittel und bereits vorher gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt in Berührung kommt, wird es durch das gasförmige Oxidationsmittel oxidiert, wodurch eine fortschreitend dickere Schicht oder ein Körper des Oxidationsreaktionsproduktes gebildet wird oder anwächst. Der Prozeß setzt sich über eine Zeit fort, die ausreicht, einen keramischen Körper zu bilden, der aus einem polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukt besteht (und auch miteinander verbundene metallische Bestandteile haben kann, einschließlich nichtoxidiertas Vorläufermetall). Allerdings kann das Verfahren fortgeführt werden, um das gesamte oder nahezu das gesamte miteinander verbundene Metall zu oxidieren, und es entstehen Hohlräume oder Porosität in dem Körper.

Das Verfahren kann verbessert werden durch Einsatz eines legierten Dotierungsmittels wie im Falle eines Aluminiumvorläufermetalles, das mit Luft oxidiert wird und wo Magnesium und Silicium als Dotierungsmittel eingesetzt werden. Dieses Verfahren wurde durch Verwendung äußerer Dotierungsmittel verbessert, die auf die Oberfläche des Precursormetalles aufgebracht wurden, wie in der US-Patentanmeldung Nr. 822 999 beschrieben und deren Titel "Verfahren zur Herstellung von selbsttragenden keramischen Materialien und dadurch hergestellte Materialien" lautet.

Unter "Oxidationsreaktionsprodukt" sind im allgemeinen eines oder mehrere Metalle in einem beliebigen oxidierten Zustand

zu verstehen, wobei das Metall Elektronen abgegeben hat oder Elektronen mit einem anderen Element, einer Verbindung oder einer Kombination davon gemeinsam hat. Dementsprechend fällt unter die Definition "Oxidationsreaktionsprodukt** das Reaktionsprodukt eines oder mehrerer Metalle mit einem hier beschriebenen gasförmigen Oxidationsmittel.

Der Begriff "gasförmiges Oxidationsmittel", der das Oxidationsmittel als ein teilweise verdampftes oder gasförmiges Material enthaltend oder umfassend definiert, erfaßt einen oder mehrere geeignete Elektronenakzeptor(en) oder Elektronen"teilhaber". Zu geeigneten Oxidationsmitteln gehören ein sauerstoffhaltiges Gas (einschließlich Luft), ein stickstoffhaltiges Gas (z. B. forming gas), ein Halogen, Schwefel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoffverbindungen (dazu gehören die Kohlenwasserstoffe mit niederer Molekularmasse wie Methan, Ethan, Ethen, Propen und Ethin als Kohlenstoffquelle), Borverbindungen, Selen, Tellur, Hp/HpO-Gemische und CO/COp-Gemische und/oder Verbindungen oder Gemische solcher geeigneter Oxidationsmittel.

Der Begriff "Precursormetall" bezieht sich auf relativ reine Metalle, handelsübliche Metalle mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen darin sowie Legierungen und zwischenmetallische Verbindungen der Metalle. Wenn ein spezifisches Metall genannt ist, sollte das genannte Metall mit dieser Definition im Hintergrund betrachtet werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, auf wirtschaftliche Weise kera-

mische Körper an ihren im wesentlichen kongruenten Oberflächen miteinander zu verbinden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden keramischer Körper miteinander zu schaffen, mit dem es möglich ist, die im wesentlichen kongruenten Oberflächen der zu verbindenden keramischen Körper zu überbrücken.

Erfindungsgemäß ist das Verfahren gekennzeichnet durch

(a) Positionieren eines ersten keramischen Körpers und eines zweiten keramischen Körpers nahe aneinander, so daß sich eine Oberfläche des ersten Körpers einer Oberfläche des zweiten Körpers gegenüber befindet und eine Bindungszone dazwischen ausgebildet wird;

(b) Einbringen eines Körpers eines Precursormetalles in der '//eise in die Bindungszone, daß sich aus diesem Precursormetall gemäß Stufe (c) ein Gxidationsreaktionsprodukt in der Bindungszone bildet;

(c) Erhitzen der erhaltenen Anordnung aus keramischen Körpern und dem Precursormetallkörper in Gegenwart eines gasförmigen Oxidationsmittels auf einen Temperaturbereich oberhalb des Schmelzpunktes des Precursormetalles und unterhalb des Schmelzpunktes des Oxidationsreaktionsproduktes, um zu einem geschmolzenen Precorsormetallkörper zu gelangen ; und

(d) in dem Temperaturbereich

(d₁) Umsetzen des gasförmigen Oxidationsmittels mit dem geschmolzenen Precursormetall zu Bildung des Oxidationsreaktionsproduktes ;

(dp) Halten wenigstens eines Teiles des Gxidationsreaktionsproduktes in Kontakt mit und zwischen dem geschmolzenen Precursormetall und dem Oxidationsmittel, um fortlaufend geschmolzenes Precursormetall aus dem Körper durch das Gxidationsreaktionsprodukt abzuziehen und in die Bindungszone hineinzubringen ; und

(d,) Fortführen dieser Reaktion über eine Zeit, die ausreichend ist, die Bindungszone mit dem Oxidationsreaktionsprodukt zu überbrücken und dadurch die Oberflächen aneinander zu binden.

Erfindungsgemäß ist auch, daß die keramischen Körper aus einem Material bestehen, das aus der aus keramischen Oxiden, Boriden, Carbiden und Nitriden bestehenden Gruppe ausgewählt wurde und das gasförmige Oxidationsmittel ein Sauerstoff enthaltendes Gas ist. Weiterhin ist erfindungsgemäß, daß die keramischen Körper aus Korund bestehen. Ebenso ist erfindungsgemäß, daß das gasförmige Oxidationsmittel Luft ist. Erfindungsgemäß ist auch, daß der Precursormetallkörper so angeordnet wird, daß er sich am Rande der Bindungszone befindet. Erfindungsgemäß ist weiterhin, daß die keramischen Körper mit ihren Oberflächen in der Weise positioniert werden, daß sie einen schmalen Winkel zueinander bilden. Erfindungsgemäß ist ebenso, daß der Precursormetallkörper so angeordnet wird, daß er sich innerhalb der Bindungszone befindet. Darüber hinaus ist erfindungsgemäß, daß der Precursormetallkörper sich sandwichartig zwischen den Oberflächen des ersten und zweiten Körpers befindet. Weiterhin ist erfindungsgemäß, daß die Oxidations reaktion durch den Einsatz eines Promotormaterials in Verbindung mit dem Precursormetall beschleunigt wird. Erfindungsgemäß ist auch, daß das Precursormetall ain

Alumxniutnprecursormetall ist. Im Sinne der Erfindung ist es, daß das Promotormaterial aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus einer oder mehreren Magnesium, Zink, Silicium, Germanium, Zinn, Blei, Bor, Natrium, Lithium, Calcium, Phosphor, Yttrium und Seltenerdmetalle freisetzenden Materialien besteht. Weiterhin ist erfindungsgemäß, daß der erste oder der zweite keramische Körper oder beide keramische Körper Koraposite sind, die aus einem keramischen Füllstoff, eingebettet in eine keramische Matrix, bestehen. Ebenso ist erfindungsgemäß, daß der Temperaturbereich zwischen etwa 800 und etwa 1450 ⁰C liegt. Erfindungsgemäß ist auch, daß das Precursormetall aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Aluminium, Titanium, Zinn, Zirkonium, Hafnium und Silicium besteht. Darüber hinaus ist erfindungsgemäß, daß das Oxidationsreaktionsprodukt ein Oxid, Nitrid oder Carbid ist. Weiterhin ist erfindungsgemäß, daß das Oxidationsreaktionsprodukt aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zinnoxid, Siliciumcarbid, Titaniumnitrid, Zirkoniumnitrid oder Hafniuranitrid besteht.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Verbinden keramischer Körper miteinander an deren kongruenten Oberflächen. Ein erster keramischer Körper und ein zweiter keramischer Körper werden einander gegenüber angeordnet, wobei eine Oberfläche des ersten Körpers einer Oberfläche des zweiten Körpers gegenüber liegt und wobei die Oberflächen im wesentlichen kongruent oder koplanar sind, um eine Bindungszone zwischen ihnen zu bilden. Ein Precursormetall, zum Beispiel ein Aluminium-Precursormetall wird im Verhältnis zur Bindungszone so angeordnet, daß ein Oxidationsreaktionsprodukt, das man nach Oxidation des Precursormetalls mit einem gasförmigen Oxidationsmittel erhält (wie weiter unten beschrieben) in der Reaktionszone gebildet wird. Die erhaltene

Anordnung oder der Aufbau von keramischen Körpern und Precursormatallkörpsr wird dann in Anwesenheit eines gasförmigen Oxidationsmittels auf einen Temperaturbereich oberhalb des Schmelzpunktes des Precursormetalls und unterhalb des Schmelzpunktes des Oxidationsreaktionsproduktes erhitzt, um das Precursormetall zu schmelzen, und in diesem Temperaturbereich wird das gasförmige Oxidationsmittel mit dem geschmolzenen Precursormetall umgesetzt, um das Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden.

.Venigstens ein Teil des Gxidationsreaktionsproduktes wird in Kontakt mit und zwischen dem geschmolzenen Precursormetall und dem Oxidationsmittel gehalten, um fortlaufend geschmolzenes Precursormetall aus der Metallreserve oder dem Metallkörper durch das Oxidationsreaktionsprodukt in Richtung auf und in die Bindungszone hinein zu befördern. Diese Reaktion wird über einen Zeitraum weitergeführt, der ausreichend ist, die Bindungszone mit dem Oxidationsreaktionsprodukt zu übei— brücken und damit die kongruenten Oberflächen aneinander zu binden .

Ausführungsbeispiele

Die erfindungsgemäße technische Lösung soll nachfolgend in mehreren Ausführungsboispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: aine schematische Aufrißansicht, nicht maßstäblich, von Anordnungen entsprechender Ausführungsformen der Erfindung, wobei jede Anordnung miteinander verbundene keramische Körper darstellt mit einem Precursormetall, das zwischen den keramischen Körpern

mit einem zusätzlichen Raum sandwichartig angeordnet ist ;

Fig. IA perspektivische Ansichten der Anordnung nach Fig. 1 ^{un :} mit Segmentausschnitten zur besseren Erläuterung;

Fig. 2: einen schematischen Querschnitt einer Anordnung einer anderen Ausführungsform der Erfindung und stellt keramische Körper dar, die miteinander zu verbinden sind sowie Precursormetallkörper, wobei die Anordnung in ein festes Bett eingebettet ist, das sich in einem Feuerfestbehälter befindet;

Fig. 2A: eine vergrößerte perspektivische Ansicht allein der keramischen Körper der Anordnung nach Fig. 2, mit einem herausgebrochenen Segment an einem der beiden Körper zu besseren Erläuterung;

Fig. 3: eine schematische Aufrißansicht einer Anordnung des keramischen Blockes nach oben hin erstreckt und bei der dazwischen eine Doppelschicht von Presursormetallfolien mit einem Promotormaterial angeordnet ist;

Fig. 4: eine schematische Aufrißansicht einer Anordnung dreier keramischer Blöcke, wobei sich über zwei Blöcke nach oben hin ein dritter erstreckt;

Fig. 5: ein Foto in 2,5facher Vergrößerung des verbindenden keramischen Produktes nach Beispiel 3 und

Fig. 6: eine Mikrofotografie die in 5Ofacher Vergrößerung das verbindende keramische Produkt nach dom Verfahren von Beispiel 3 darstellt.

Es folgt eine detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugter Ausführungsformen davon. In der Praxis der vorliegenden Erfindung werden zwei oder mehr keramische Körper in einer Bindungszone miteinander verbunden, die durch benachbarte, einander gegenüberliegende und im wesentlichen kongruente Oberflächen der Körper bestimmt ist. Benachbarte zu verbindende Oberflächen können plane oder anderweitig im wesentlichen kongruente keramische Außenseiten von aneinander· liegenden oder benachbarten Körpern sein, wie Platten, Scheiben, Blöcke, Würfel, Stäbe oder ähnliches, geformt oder nicht geformt. Gewünschtenfalls kann einer oder können beide (alle) keramische Körper ein keramischer Komposit sein, die aus einem keramischen Füllstoff, eingebettet in einer keramischen Matrix bestehen.

Wie hier und in den Patentansprüchen verwendet, erfordert die Bezugnahme auf einander gegenüber liegende Oberflächen, die "im wesentlichen kongruent" sind, nicht, daß die einander gegenüber liegenden Oberflächen völlige oder geometrische Kongruenz zeigen, aber es ist erforderlich, daß sie sich nebeneinander über eine Fläche erstrecken, die ausreichend ist, eine im wesentlichen koplanare Bindungszone zwischen ihnen auszubilden. Darüber hinaus müssen die Oberflächen nicht planar sein, sondern können gekrümmt sein, z. B. konvex und die des anderen Körpers konkav, wodurch sich zusammenpassende oder koplanare Oberflächen ergeben. Die Dicke der Bindungszone kann sehr schmal sein, z. B. zwischen etwa 2-3 Tausendstel bis etwa 10 Tausendstel cm; sie kann auch größer sein.

Die Verbindung wird durch ein Oxidationsreaktionsprodukt bewirkt, das durch die Oxidation eines kohärenten Körpers

eines Precursormetalles (Vorlauformetall) gebildet wird, das im Verhältnis zur Bindungszone so angeordnet ist, daß das Oxidationsreaktionsprodukt aus den Precursormetallbrücken gebildet wird und die benachbarten Oberflächen verbindet. Die benachbarten Oberflächen können miteinander in Kontakt stehen (oder mit einem Körper des Precursormetalles) oder sie können in einem leichten Winkel zueinander angeordnet sein, so daß sich ein schmaler Spalt an einer Seite der Bindungszone ergibt. Ein Beschleunigermaterial und/oder das Precursormetall kann, muß aber nicht, zwischen den benachbarten Oberflächen eingesetzt sein. Beispielsweise kann das Precursormetall als Folie oder Blatt sandwichartig zusammen mit einem zusätzlichen Raum zwischen den benachbarten Oberflächen vorgesehen sein, oder es kann als ein oder mehrere Precursormetallkörper außerhalb, jedoch benachbart, zur Bindungszone angeordnet sein, z. B. in engem Kontakt mit einem Teil oder dem gesamten Umfang der Bindungszone. Insbesondere im letzteren Falle erstreckt sich das Wachstum oder die Entwicklung des Oxidationsreaktionsproduktes vom Körper des Precursormetalles von einem Punkt der ursprünglichen Außenseite der Bindungszone und setzt sich in die Bindungszone hinein und wenigstens teilweise durch die Bindungszone hindurch fort. Somit tritt das Wachstum des Oxidationsreaktionsproduktes in das hinein und erstreckt sich wenigstens teilweise durch das hindurch, was einen reinen Bruch oder eine Naht zwischen zwei keramischen Körpern darstellt, deren koplanare Außenseiten sich in engem oder nahem Kontakt befinden.

Während die vorliegende Erfindung im Detail in Hinblick auf Aluminiumprecursormetalle beschrieben wurde, können auch andere Metalle wie Titanium-, Zinn-, Zirkonium-, Hafnium- und Siliciumprecursormetalle bei der praktischen Verwirk-

lichung der Erfindung eingesetzt werden.

Als aneinander zu bindende keramische Körper können beliebige geeignete keramische Produkte eingesetzt werden, wie Metalloxide, Boride, Carbide oder Nitride, die gepreßt und gesin- . tert oder anderweitig mittels üblicher Verfahren verarbeitet worden sind. Für dia praktische Verwirklichung der vorliegenden Erfindung geeignete keramische Körper sind beispielsweise solche Körper wie Aluminiumoxid (Korund), Zirkoniumdioxid (Zirkon), Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Titaniumdiborid, Titaniumnitrid oder Kombinationen dieser. Die keramischen Körper sind vorwiegend nichtmetallisch und anorganisch in der Zusammensetzung. Wenn die keramischen Körper verhältnismäßig dicht sind, was eine geringe Porosität bedeutet, kann die Bindungsoberfläche des einen oder beider Körper chemisch geätzt, oder mechanisch durch Sandstrahlen behandelt werden, um die zu der oder den Oberfläche(n) benachbarten Zone(n) durch die Oberflächenbehandlung rauher zu machen und dadurch die Bindung zu verbessern.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigen die Fig. 1; Fig. IA und Fig. IB einen ersten keramischen Körper 10, der in der Nähe eines zweiten keramischen Körpers 12 angeordnet ist mit dem Körper einer Precursormetallfolie, die sandwichartig zwischen den keramischen Körpern angeordnet ist. In den schematischen Zeichnungen ist die Dicke des Folienkörpers 14 im Verhältnis zur Dicke der keramischen Körper 10 und 12 nicht unbedingt maßstäblich dargestellt ; sondern die bessere Verdeutlichung gab den Ausschlag. Beispielsweise kann der Precursormetallkörper im Verhältnis zu den keramischen Körpern wesentlich dünner als dargestellt sein. Der Folienkörper kann somit 0,127 mm stark sein, oder im Falle eines

Blattes kann er 0,254 mm bis 0,508 mm stark sein, und die keramischen Körper 10 und 12 können jeweils etwa 1,587 mm stark sein oder mehrere mm stark oder beträchtlich stärker.

Im allgemeinen können die für die praktische Durchführung der Erfindung nützlichen Precursormetalle eine beliebige geeignete Form haben, beispielsweise Folien, Blätter, Platten, Drähte, Stäbe, Scheiben oder ähnliches. In einer gegebenen Anordnung können ein oder mehrere Stücke oder Körper des Precursormetalles vorgesehen sein. Beispielsweise könnte ein Band des Precursormetalles, wie z. B. aus einer Folie, an seinen entgegengesetzten Seiten durch Längen an Precursormetalldraht flankiert sein und an der Verbindungsstelle der keramischen Körper mit einem Zwischenraum angeordnet. In einem anderen Beispiel kann das Metall als Folie oder Blatt zusammengefaltet werden (als U-förmiger Streifen, siehe Fig. 3), um die Stärke des Metalls an der Verbindung(stelle) der keramischen Körper zu verdoppeln.

Der Folienkörper 14 entspricht in seiner Form den verbindbaren, im wesentlichen kongruenten Oberflächen 10a und 12a bzw. keramischen Körpern 10 und 12, wie am besten aus Fig. IA und Fig. IB ersichtlich ist. Die äußeren Oberflächen 10a und 12a definieren zwischen sich eine Bindungszone. Der Hauptteil der Oberflächen des Folienkörpers 14 kann chemisch oder mechanisch gereinigt werden, um den Oxidfilm von diesen Oberflächen zu entfernen. Ein Promotor, der dazu dient, die Oxidation des Precursormetalles zur Bildung des Oxidationsreaktionsproduktes, wie oben beschrieben, zu erleichtern, kann an einer oder an beiden Grenzflächen zwischen dem Folienkörper 14 und den entsprechenden zu bindenden Oberflächen 10a und 12a eingesetzt werden. Ein solcher Einsatz eines Pro-

motormaterials ist in den Fig. 1; IA und IB durch die Promotormaterialschichten 16a und 16b erläutert, wobei die Dicke dieser Schichten zur besseren Erkennbarkeit stark vergrößert dargestellt sind.

Geeignete Beschleunigermaterialien können an einer oder an beiden der Hauptoberflächen des Folienkörpers 14 und/oder an einer oder beiden der zu verbindenden Oberflächen 10a und 12a aufgebracht sein. Für die praktische Anwendung der Erfindung nützliche Beschleunigermaterialien sind eines oder mehrere von denen, die Magnesium, Zink, Silicium, Germanium, Zinn, Blei, Bor, Natrium, Lithium, Calcium, Phosphor, Yttrium und Seltenerdmetalle freisetzen. Das Ausgangsmaterial für diese Metalle kann das Metall selbst sein. Legierungen der Metalle miteinander oder mit anderen Metallen, wie dem Precursormetall, oder Verbindungen der Metalle oder von zwei oder mehreren der Metalle wie Oxide, Silicate und ähnliches.

Das Ausgangsmaterial des Promotormaterials kann in Verbindung mit dem Precursormetall eingesetzt werden, indem es mit dem Precursormetall legiert ist, indem es sich auf diesem als Überzug befindet oder in anderer Weise in naher Lage dazu angeordnet ist, oder mittels einer Kombination solcher Verfahrenstechniken. Beispielsweise kann das Promotormaterial in Teilchenform auf eine oder beide Oberflächen des Precursormetalles oder auf eine oder mehrere der keramischen Oberflächen aufgebracht werden. Teilchen des Promotormaterials können in einem geeigneten Bindemittel oder Träger dispergiert werden und auf die Bindungsoberflachen oder auf die Metalloberflächen aufgebracht werden, wie es aus den Promotormaterialschichten 16a und 16b zu entnehmen ist. Der Träger oder das Bindemittel ist normalerweise eine organische Zu-

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sammensetzung wie Polyvinylalkohol, der während des Prozesses verdampft und/oder verbrannt wird und somit ausgetrieben wird.

Die Oxidation des Precursormetallfolienkörpers erfolgt durch Erhitzen der Anordnung von Fig. 1 auf einen Temperaturbereich oberhalb des Schmelzpunktes des Precursormetalles, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des daraus gebildeten Oxidationsreaktionsproduktes durch Kontakt des geschmolzenen Precursormetalles mit einem geeigneten gasförmigen Oxidationsmittel. Dieses Temperaturintervall kann beispielsweise im Falle des Aluminiums als Precursormetall in Luft etwa zwischen 800 und 1450 °C liegen, vorzugsweise zwischen 900 und 1350 ⁰C.

Ein geeignetes Promotormaterial kann auf den Folienkörper 14 aufgebracht werden. In der Praxis kann die Anordnung von Fig. 1 in einen Ofen gestellt werden, der belüftbar ist oder anderweitig für die Zirkulation eines gasförmigen Oxidationsmittels darin eingerichtet ist. Die Anordnung wird auf den erforderlichen Temperaturbereich erhitzt und bei dieser Temperatur über eine Zeit gehalten, die ausreichend für die Entwicklung oder das Wachstum des Oxidationsreaktionsproduktes ist und die Oberflächen 10a und 12a zu überbrücken und zu binden und damit die keramischen Körper 10 und 12 aneinander zu binden.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Folienkörper 14, die Precursormetallfolie eine Aluminiumfolie, und die keramischen Körper 10 und 12 bestehen aus alpha-Aluminiumoxid, das durch Sintern von Pulver bei hoher Temperatur gebildet worden war. Es wurden beispielsweise sieben solcher

in Fig. 1 dargestellter Anordnungen hergestellt, wobei zwei keramische Körper, entsprechend den Körpern IO und 12, aus Korund (AD-85) mit jeweils etwa 19,5 mm Seitenlänge miteinander verbunden wurden. Oede dieser sieben Anordnungen wurde mit einem anderen Promotormaterial versehen, ausgewählt aus der aus Ni; Mn₃O₄; ZnO; TiC; ZrN; CuO und Fe₂°3 bestehenden Gruppe. Ein Abschnitt der Aluminiumfolie, des Folienkörpers 14, die aus einer Aluminiumlegierung mit 10 Massenanteile in % Si und 3 Massenanteile in % Magnesium und dem Rest aus Aluminium bestand, wurde auf beiden Seiten mit einem Gemisch überzogen, bestehend aus 50 Massenanteile in % des entsprechenden Promotormaterials und 50 Massenanteile in % Natriumsilicat. Die überzogene Folie wurde dann sandwichartig zwischen die oben genannten Korundblöcke eingelegt, wie es aus Fig. 1 hervorgeht.

Die sieben Anordnungen wurden in einen mit Luft beschickbaren Ofen eingebracht und 30 Minuten auf 600 ⁰C erhitzt. Die Ofentemperatur wurde eine Stunde bei 600 C gehalten, dann 25 Minuten auf 1100 ⁰C erhitzt. Bei 1100 ⁰C wurde die Ofentemperatur eine Stunde gehalten und dann auf Zimmertemperatur abgekühlt. Oede Anordnung wurde aus dem Ofen entfernt. Nach Überprüfung war jedes Folienblatt unter Ausbildung einer keramischen Bindung oxidiert worden, wodurch die beiden Korundblocke miteinander verbunden worden waren.

Es wird nun Bezug genommen auf Fig. 2. Ein Feuerfestgefäß enthält ein Bett aus einem haltenden Material, das sin teilchenförmiges Material ist, das durch das Pracursormetall unter den Bedingungen des Verbindungsverfahrens nicht benetzend ist. Eingebettet in das Bett 20 ist ein Paar keramischer Körper 22 und 24, die mit ihren entsprechenden verbindbaren

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und im wesentlichen kongruenten Oberflächen in nahem Kontakt sind und damit dazwischen eine Bindungszone 26 definieren. Die keramischen Körper 22 und 24 sind jeweils von rechtwinkliger Platten- oder Ziegelsteinähnlicher Gestalt , deren verbindbare Oberflächen im wesentlichen eben sind. Ein oder mehrere Schmelzbarren oder -knüppel des Precursormetalles, wie rechtwinklige, plattenförmige Precursorraetallkörper 28 und 30, werden jeweils in Nähe zu den entgegengesetzten Abschnitten der Randzone der Bindungszone 26 positioniert. Die keramischen und Frecursormetall-Körper werden in das Bett 20 eingebettet, das für ein gasförmiges Oxidationsmittel wie Luft, durchlässig ist. Die Oberflächen, zwischen denen die Bindungszone 26 gebildet wird, können auch ein darauf aufgetragenes Promotormaterial aufweisen.

In Fig. 2A ist ein Teil des keramischen Körpers 22 weggebrochen, um die verbindbare Oberfläche 24a des keramischen Körpers 24 darzustellen, wobei die Oberfläche 24a eine entsprechende verbindbare Oberfläche (nicht sichtbar in Fig. 2A) des keramischen Körpers 22 verdeckt, wodurch die Bindungszone 26 definiert wird. Die Randzone der Bindungszone 26 ist definiert durch die entsprechenden passenden Enden der keramischen Körper 22 und 24 und wird in Fig. 2A durch die Linien 26a; 26b; 26c und 26d verdeutlicht.

Die Anordnung von Fig. 2 wird in einen geeigneten Ofen gebracht und auf den oben im Zusammenhang mit der Ausführungsform von Fig. IA und Fig. IB genannten Temperaturbereich erhitzt. Das aus den Precursormetallkörpern 28 und 30 erhaltene geschmolzene Precursormetall wird durch Berührung mit einem gasförmigen Oxidationsmittel, beispielsweise Luft aus der Umgebung, oxidiert, die das Bett 20 durchdringt, mit

dem geschmolzenen Precursormetall in Berührung kommt und dieses oxidiert, wobei ein Oxidationsreaktionsprodukt gebildet wird, das sich in die Bindungszone 26 hinein oder durch sie hindurch entwickelt, oder wenigstens in oder durch einen wesentlichen Teil dieser. Dadurch werden die verdeckten, verbindbaren Oberflächen überbrückt und das Oxidationsreaktionsprodukt bindet die keramischen Körper 22 und 24 aneinander. Die keramischen Körper sind normalerweise zum großen Teil oder vollständig feuerfeste Verbindungen, die ohne weiteres in dem vorgenannten Temperaturbereich beständig sind.

Wenn die Reaktion für einen solchen Zeitraum durchgeführt wurde, der ausreicht, den keramischen Körper 22 an den keramischen Körper 24 mit dem Oxidationsreaktionsprodukt zu binden, läßt man die Anordnung abkühlen, und die nunmehr verbundenen keramischen Körper werden aus dem Bett 20 entfernt. Überschüssiges Precursormetall, falls welches vorhanden ist, das sich wieder auf den Oberflächen der keramischen Körper verfestigt hat, kann durch beliebige mechanische oder chemische Mittel wieder entfernt werden.

Es wird auf Fig. 3 Bezug genommen, die eine andere Ausführungsform darstellt. Darin ist der keramische Körper 32, der flacher, platten- oder ziegelsteinartiger Bauart ist, vertikal angeordnet, mit einer seiner schmalen Oberflächen gestützt auf einen horizontal angeordneten keramischen Körper 34, um zwischen, den verdeckten Oberflächen eine Bindungszone 35 zu definieren. Ein Precursormetallkörper 36 in der Art einer Folie oder eines Blattes wird U-förmig gefaltet, um eine Foliendoppelschicht zu argeben, und wird dann zwischen die keramischen Körper 32 und 34 gebracht. Die Falte des

Precursormetallkörpers 36 wird zuerst mit einer Schicht 38 eines Promotormaterials, wie beispielsweise Siliciumteilchen, überzogen, die durch Besprühen der Oberfläche des Precursormetallkörpers 36 mit einer Suspension feiner Siliciumteilchen in einem entsprechenden flüssigen Träger aufgebracht werden können. Das Silicium dient als Promotor für die Oxidation eines Precursormetalles, wie z. B. eines Aluminiumprecursormetalles. Die Anordnung von Fig. 3 arbeitet in ähnlicher Weise wie oben beschrieben, um die keramischen Körper 32 und 34 aneinander zu binden.

Fig. 4 erläutert eine andere Ausführungsform der Erfindung, in der drei keramische Körper 40; 42 und 44, jeweils von flacher, platten- oder ziegelsteinförmiger Bauart, mit einem Precursormetallfolienkörper 46 sandwichartig zu einer Anordnung zusammengestellt ist, wobei die Folie von gleicher Größe wie eine nahe Oberfläche des keramischen Körpers 42 und des keramischen Körpers 40 ist, und ein Precursormetallfolienkörper 48 sandwichartig von gleicher Größe und zwischen den keramischen Körpern 42 und 44 angeordnet ist. Wie in der Ausführungsform von Fig. 3 ist der keramische Körper 40 vertikal auf dem horizontal liegenden Körper 42 angeordnet. Eine Bindungszone 50 wird dadurch zwischen den verdeckten, im wesentlichen kongruenten Oberflächenteilcn des keramischen Körpers 40 und des keramischen Körpers 42 gebildet, und ähnlich eine Bindungszone 51 zwischen dem keramischen Körper und dem keramischen Körper 44. Die Precursormetallfolienbzvv. -blattkörper 46 und 48 können aus einem Aluminiumprecursormetall bestehen, und ein Teil der Oberfläche oder die gesamte Oberfläche dieser und/oder ein Teil oder die gesamten verbindbaren Oberflächen der keramischen Körper 40/42 und 42/44 können geeignete Precursormatcrialien darauf ent-

halten. Nach dem Erhitzen der Anordnung von Fig. 4 zum Schmelzen der Precursormetallfolienkörper 46 und 48 in oxidierender Umgebung, werden die Precursormetallkörper unter Bildung eines Oxidationsreaktionsproduktes und den entsprechenden Bindungszonen 50 und 51 oxidiert, wodurch sie den keramischen Körper 40 an den keramischen Körper 42 und den keramischen Körper 42 an den keramischen Körper 44 binden. Die Erfindung wird nachstehend durch die folgenden Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Es wurden Anordnungen der Art hergestellt, wie sie in Fig. 3 erläutert wurden, mit der Ausnahme, daß eine einzige Schicht einer Aluminiumlegierung, die 10 Massenanteile in % Silicium und 3 Massenanteile in % Magnesium enthielt und annähernd 0,0254 mm stark war und keinen Promotor aufwies, anstelle der Silicium-überzogenen, gefalteten Folie von Fig. 3 eingesetzt wurde, um als Precursormetallkörper zu dienen. Den keramischen Körpern 32 und 34 entsprechende keramische Blöcke wurden, wie in Fig. 3, angeordnet mit der einfachen Folienschicht sandwichartig zwischen den Blöcken und nicht über den Rand der Bindungszone hinausgehend, die zwischen den Blöcken definiert wurde. In diesem und in allen folgenden Beispielen waren, wenn nichts anderes genannt wurde, die Hauptflächen der Blöcke etwa 25,4 mm mal 12,7 mm, wobei die Blöcke etwa 12,7 mm stark waren und aus Coors-Korund (Aü-85) bestanden.

Drei Anordnungen wurden in einen Ofen gebracht und unter Luftzufuhr bei Temperaturen von jeweils 800; 900 und 1150 ⁰C 24 Stunden erhitzt, um den Aluminiumprecursor-Metallfolien-

körper zu einem Aluminiumoxidationsprodukt zu oxidieren und dadurch die keramischen Blöcke miteinander zu verbinden. Bei allen war die Festigkeit der Bindung gut, was darauf hinwies, daß eine Bindung auch ohne Einsatz des Promotors erhalten werden konnte.

Beispiel 2

Eine Anordnung keramischer Blöcke und mit Silicium überzogenes Precursormetalls wurde wie in Fig. 3 erläutert, hergestellt. Das Precursormetall war aus der gleichen Aluminiumlegierung wie in Beispiel 1 und annähernd 0,254 mm dick. Die Siliciumschicht , die als Aufschlämmung auf eine Seite aufgebracht worden war, betrug 0,1016 mm in der Dicke. Das mit Silicium überzogene Metall wurde zusammengefaltet und eine Anordnung wie in Fig. 3 hergestellt, mit der Siliciumschicht auf der Innenseite des gefalteten Metalles. Die Komponenten wurden anfänglich durch Einsatz von Elmers -^ Holzleim in ihren Positionen gehalten. Die geleimte Anordnung wurde in Luft 24 Stunden auf 1150 °C erhitzt. Das fertige Produkt zeigte eine gute Bindungsfestigkeit.

Beispiel 3

Ein Block aus Precursormetall, bestehend aus einer mit 380.1 bezeichneten Aluminiumlegierung mit einer genannten Massenzusammensetzung von 8 bis 8,5 % Si, 2 bis 3 % Zn und 0,1 % Mg als aktive Dotierungsmittel, und 3,5 % Cu sowie Fe; Mn und Ni, wobei jedoch der tatsächliche Mg-Gehalt oftmals höher war und im Bereich von 0,17 bis 0,18 % lag, die 25,4 mm lang, 12,7 mm breit und 12,7 mm dick war, wurde in ein Trägerbett auf Feuer fest fasern (IVollastonit , ein mineralisches Calcium-

silicat , Qualität FP) gebracht. Diese Fasern befanden sich in einem Feuerfestbehälter. Eine Seite des Metalles von 25,4 mm mal 12,7 mm wurde der Atmosphäre ausgesetzt und lag im wesentlichen in einer Ebene mit der Oberfläche des Trägerbettes, während die restlichen fünf Seiten des Precursormetalles in Nähe aber unterhalb der Oberfläche des Trägerbettes lagen. Die zu zwei Blöcken geformten Korundkörper (Coors AD-85, von Coors Porcelain Co., Golden CO), die jeweils Maße von 25,4 mm Länge, 12,7 mm Breite und 12,7 mm Dicke aufwiesen, wurden mit der quadratischen 12,7 mm Seite gegeneinander angeordnet, so daß zwischen beiden ein Raum oder eine Bindungszone von annähernd 1,587 mm verblieb.

Die oben genannte Anordnung wurde in einen mit Luft beschickten Ofen eingebracht und 3 Stunden auf 1100 ⁰C erhitzt. Die Ofentemperatur wurde 15 Stunden bei 1100 ⁰C gehalten, und dann wurde auf Zimmertemperatur abgesenkt. Die Anordnung wurde aus dem Ofen genommen und das erhaltene Produkt aufgearbeitet.

Die Prüfung des aufgearbeiteten Produktes zeigte, daß die beiden Korundkörper miteinander verbunden waren. Es hatte sich eine korundkeramische Bindung, bestehend aus dem Oxidationsreaktionsprocukt von Precursormetall und Luft, zwischen den aneinander liegenden 12,7 mm im Quadrat messenden Seiten der Korundkörper in der Bindungszone gebildet. Fig. ist eine Fotografie, die die keramische Bindung 2 zwischen den Korundblöcken 4 und 6 zeigt. Fig. 6 ist eine Mikrofotografie mit 50facher Vergrößerung, die dieselben verbundenen Korundkörper und die Bindung zeigt.

Das verbundene Produkt wurde geschliffen, so daß die Oberflächen der keramischen Bindung mit den Oberflächen der verbundenen Korundkörper eine Ebene bildeten. Das geschliffene Produkt wurde anschließend hinsichtlich der Festigkeit der Bindung untersucht (Vierpunktbiegung). Das verbundene Produkt brach bei 562 kp/cra quer über die Dicke eines der korundkeramischen Körper und nicht quer über die gebildete keramische Bindung.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Verbinden keramischer Körper miteinander an im wesentlichen kongruenten Oberflächen, gekennzeichnet durch

(a) Positionieren eines ersten keramischen Körpers und eines zweiten keramischen Körpers nahe aneinander, so daß sich eine Oberfläche des ersten Körpers einer Oberfläche des zweiten Körpers gegenüber befindet und eine Bindungszone dazwischen ausgebildet wird ;

(b) Einbringen eines Körpers eines Precursormetalles in der ,Veise in die Bindungszone, daß sich aus diesem Precursormetall gemäß Stufe (c) ein Gxidationsreaktionsprodukt in der Bindungszone bildet ;

(c) Erhitzen der erhaltenen Anordnung aus keramischen Körpern und dem Precursormetallkörper in Gegenwart eines gasförmigen Oxidationsmittels auf einen Temperaturbereich oberhalb des Schmelzpunktes des Precursormetalles und unterhalb des Schmelzpunktes des Oxidationsreaktionsproduktes, um zu einem geschmolzenen Precursormetallkörper zu gelangen; und

(d) in dem Temperaturbereich

(dj) Umsetzen des gasförmigen Oxidationsmittels mit dem geschmolzenen Precursormetall zur Bildung des Oxidations rea к tionsprodu к tos ;

(d_) Halten wenigstens eines Teiles des Oxidationsreaktionsproduktes in Kontakt mit und zwischen dem geschmolzenen Prscursormetall und dem Oxidationsmittel, um fortlaufend geschmolzenes Precursormetall aus dem Körper durch das Gxidationsraaktionsprodukt abzuziehen und in die Bindungszone hineinzubringen; und

(d,) Fortführen dieser Reaktion über eine Zeit, die ausreichend ist, die Bindungszone mit dem Oxidationsreaktionsprodukt zu überbrücken und dadurch die Oberflächen aneinander zu binden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Körper aus einem Material bestehen, das aus der aus keramischen Oxiden, Boriden, Carbiden und Nitriden bestehenden Gruppe ausgewählt wurde und das gasförmige Oxidationsmittel ein Sauerstoff enthaltendes Gas ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Körper aus Korund bestehen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Oxidationsmittel Luft ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Precursormetallkörper so angeordnet wird, daß er sich am Rande der Bindungszone befindet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Körper mit ihren Oberflächen in der Weise positioniert werden, daß sie einen schmalen »Vinkel zueinander bilden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Precursormetallkörper so angeordnet wird, daß er sich innerhalb der Bindungszone befindet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Precursormetallkörper sich sandwichartig zwischen den Oberflächen des ersten und zweiten Körpers befindet.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationsreaktion durch den Einsatz eines Promotormaterials in Verbindung mit dem Precursormetall beschleunigt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Precursormetall ein Alurainiumprecursormetall ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Promotormaterial aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus einer oder mehreren Magnesium, Zink, Silicium, Germanium, Zinn, Blei, Bor, Natrium, Lithium, Calcium, Phosphor, Yttrium und Seltenerdmetalle freisetzenden Materialien besteht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste oder der zweite keramische Körper oder beide keramische Körper Komposite sind, die aus einem keramischen Füllstoff, eingebettet in eine keramische Matrix, bestehen.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1; 2; und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich zwischen etwa 800 und etwa 1450 ⁰C liegt.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Precursormetall aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Aluminium, Titanium, Zinn, Zirkonium, Hafnium und Silicium besteht.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsreaktionsprodukt ein Oxid, Nitrid oder Carbid ist.
16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsreaktionsprodukt aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zinnoxid, Siliciumcarbid, Titaniumnitrid, Zirkoniumnitrid oder Hafniumnitrid besteht.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen