DE4339999C1

DE4339999C1 - Keramisches Lot und seine Verwendung

Info

Publication number: DE4339999C1
Application number: DE19934339999
Authority: DE
Inventors: Odo Dr Goetzmann
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 1993-11-24
Filing date: 1993-11-24
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2013-11-25

Description

Die Erfindung betrifft ein keramisches Lot nach Anspruch 1 und seine Verwendung nach Anspruch 5.

Häufig ergibt sich in der Technik das Problem, zwei Teile aus einer Oxidkeramik miteinander zu verbinden. Hierfür muß ein Lot und ein Lötverfahren eingesetzt werden, das in den beiden Teilen keine oder höchstens geringe thermische Spannungen er zeugt.

Die Veröffentlichung "Advances in Joining Technology", Procee dings of the 4th Army Materials Technology Conference, held in Boston, Massachusetts, 16-19 September, 1975, Editors John J. Burke, Alvin E. Gorum, Arum Tarpinian, behandelt metallische Lote zum Verlöten von Keramiken. Mit metallischen Loten wird jedoch im allgemeinen keine befriedigende Verbindung erreicht.

Es ist vorgeschlagen worden Oxidkeramikteile durch Glas mit einander zu verbinden (DE 38 22 733 A1).

Aus der DE 30 12 322 A1 ist ein Lot zur Verbindung eines Teils aus Aluminiumoxidkeramik mit einem Teil aus einer Keramik be kannt, das aus Calciumoxid, Bariumoxid, Magnesiumoxid, Alumi niumoxid und Boroxid besteht.

In der DE 32 19 158 C2 wird eine Verbindungsmasse zum Verbin den und Abdichten von Oxidkeramikbauteilen vorgeschlagen, die aus Titandioxid, Mangandioxid und Lanthan(III)oxid besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres kerami sches Lot zur Verbindung von Oxidkeramik-Teilen vorzuschlagen.

Da vielfach die anwendbare Löttemperatur begrenzt ist, soll die Verarbeitungstemperatur des Lotes beim Verbinden der Teile max. 1000°C betragen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im ersten Pa tentanspruch beschriebene Lot und die im fünften Patentan spruch beschriebene Verwendung gelöst. Bevorzugte Lote sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Die besten Ergebnisse werden mit einem Lot der folgenden Zu sammensetzung erzielt:

36 Mol-% Wismutoxid (Bi₂O₃),
28 Mol-% Siliciumdioxid (SiO₂),
36 Mol-% Kupferoxid (CuO oder Cu₂O).

Mit einer äquimolaren Zusammensetzung der Komponenten Wismut oxid, Siliciumdioxid und Kupferoxid kann ebenfalls eine gute Verbindung der Teile aus Oxidkeramik erreicht werden.

Diese Lote lassen sich in einfacher Weise herstellen und an wenden, indem die Komponenten in Pulverform in den angegebenen Verhältnissen intensiv gemischt werden, die Pulvermischung auf die Fugestelle aufgetragen wird und beide Teile unter Fuge druck, vorzugsweise unter einem Fugedruck von 1 bis 5 kp/cm² auf eine Temperatur von mindestens 900°C, vorzugsweise auf ca. 1000°C gebracht werden. Die Metalloxid-Pulver sollten möglichst feinteilig sein. Die Korngröße liegt vorzugsweise unterhalb von 1 µm. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, aus dem pulverförmigen Lot mit einem sowohl gegen die Keramik als auch gegen das Lot inerten Emulgator, z. B. einem Emulga tor auf Kohlenwasserstoffbasis, eine Emulsion herzustellen und die Emulsion auf die Fügestelle aufzutragen.

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Lots verschlechtert sich im allgemeinen nicht wesentlich, wenn die drei Komponenten Wismutoxid, Siliciumdioxid und Kupferoxid teilweise durch einen Zusatz von wenigen Mol-%, etwa bis zu 10 Mol-%, eines oder mehrerer weiterer Metalloxide, insbesondere durch Über gangsmetalloxide, ersetzt werden.

Bei einem höheren Anteil an weiteren Metalloxiden, insbeson dere einem Anteil im Bereich von der 10 bis 25 Mol-%, werden brauchbare Lote insbesondere dann erhalten, wenn als weitere Metalloxide die Oxide von Eisen, Kobalt und/oder Nickel zuge setzt werden. Solche Lote können zum Beispiel aus jeweils gleichen molaren Anteilen der Oxide von Wismut, Silicium, Kupfer sowie entweder Kobalt oder Eisen bestehen. Der Kobalt anteil kann teilweise auch durch Nickel, etwa im Verhältnis 1 : 1, ersetzt sein. Die erreichbare Bruchbeständigkeit solcher Lote ist im allgemeinen geringer als die Bruchbeständigkeit von Loten, die ausschließlich und in etwa gleichen molaren An teilen aus den Oxiden von Wismut, Silicium und Kupfer beste hen; dennoch läßt sich mit diesen Loten eine für viele Zwecke ausreichend feste Verbindung zwischen zwei Oxidkeramik-Teilen herstellen. Durch den Zusatz der weiteren Metalloxide läßt sich unter Umständen die Verarbeitungstemperatur deutlich un ter 1000°C absenken.

Soweit die Metalle der Lotkomponenten Oxide verschiedener Wer tigkeitsstufen bilden, werden vorzugsweise die Oxide der sta bilen höheren Oxidationsstufe eingesetzt; es lassen sich je doch auch die Oxide der niedrigeren Oxidationsstufe verwenden, denn diese Oxide werden bei der Verarbeitungstemperatur an Luft oxidiert.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lote besteht darin, daß ihr Ausdehnungskoeffizient gut mit den Ausdehnungs koeffizienten von Oxidkeramiken, insbesondere von Aluminium oxid und Zirkoniumoxid, übereinstimmt. Nach dem Erhitzen auf die Verarbeitungstemperatur kann der Verbund der beiden Oxidkera mik-Teile mit kalter Luft abgeschreckt werden, ohne daß sich die Festigkeit der Verbindung vermindert. Die gelöteten Proben brauchen daher nicht langsam abgekühlt zu werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Lötung an Luft durchgeführt werden kann; eine Schutzgasatmosphäre ist nicht erforderlich. Die Lötver bindung ist außerdem gasdicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Durchführungsbei spielen und Versuchsergebnissen näher erläutert.

Mit verschiedenen Loten wurden jeweils zwei Keramikzylinder aus Aluminiumoxid (Durchmesser 12 mm, Länge 30 mm) über die Kreisflächen miteinander verbunden. Das Lot wurde als Pulver mit einer Korngröße von max. 1 µm auf eine der Kreisflächen eines Keramikzylinders aufgestreut; der andere Keramikzylinder wurde mit einer seiner Kreisflächen auf das Lot aufgesetzt und mit einem Druck von 1,8 kp/cm² fixiert. Anschließend wurden die beiden Zylinder auf eine Temperatur von 1000°C gebracht; die Temperatur wurde ca. 30 min lang gehalten. Danach wurden die Keramikzylinder mit kalter Luft abgeschreckt. Mit diesen Proben wurden anschließend Biegebruch-Prüfungen durchgeführt.

Es wurden Lote der folgenden Zusammensetzung untersucht:

Lot A

36 Mol-% Wismutoxid,
28 Mol-% Siliciumdioxid,
36 Mol-% Kupferoxid.

Lot B

33,3 Mol-% Wismutoxid,
33,3 Mol-% Siliciumdioxid,
33,3 Mol-% Kupferoxid.

Lot C

50 Mol-% Wismutoxid,
25 Mol-% Siliciumdioxid,
25 Mol-% Kupferoxid.

Lot D

25 Mol-% Wismutoxid,
25 Mol-% Siliciumdioxid,
25 Mol-% Kupferoxid,
25 Mol-% Eisenoxid (als Fe₂O₃).

Lot E

25 Mol-% Wismutoxid,
25 Mol-% Siliciumdioxid,
25 Mol-% Kupferoxid,
25 Mol-% Kobaltoxid (als CoO).

Lot F

25 Mol-% Wismutoxid,
25 Mol-% Siliciumdioxid,
25 Mol-% Kupferoxid,
12,5 Mol-% Kobaltoxid (als CoO),
12,5 Mol-% Nickeloxid (als NiO).

Kupferoxid wurde in allen Fällen als CuO eingesetzt.

In der folgenden Tabelle sind die gemessenen Biegebruchwerte in MPa aufgeführt (in der Tabelle: Lauf 1). Der Biegebruchwert der Aluminiumoxid-Keramik betrug 250 bis 300 MPa. Die Biege bruchversuche wurden bis zum Bruch der beiden verbundenen Ke ramikzylinder durchgeführt. Brach die Verbindungsstelle, wur den bei einzelnen Versuchsreihen die beiden Teile ohne erneute Lotzugabe wieder aufeinandergesetzt und nochmals auf 1000°C erhitzt (in der Tabelle: Lauf 2). Bemerkenswert ist, daß in nahezu allen Fällen die nochmals miteinander verbundenen Kera mikzylinder eine höhere mechanische Beständigkeit aufwiesen als nach der ersten Wärmebehandlung. Offensichtlich wird durch eine zweimalige Wärmebehandlung mit zwischenzeitlicher Abküh lung eine wesentlich bessere mechanische Beständigkeit er zielt; eine weitere Lotzugabe ist hierbei nicht erforderlich. Durch eine längere Wärmebehandlung läßt sich dieses Ergebnis nicht erzielen; eine Wärmebehandlung von mehr als 30 min er brachte in Vergleichsversuchen keine besseren Resultate. Wei tere Vergleichsversuche zeigten, daß die Endfestigkeit der Verbindung sogar mit einer Wärmebehandlung von 15 min erreicht wird.

Claims

1. Keramisches Lot zum Verbinden von zwei Teilen aus einer Oxidkeramik bestehend aus 25 bis 50 Mol-% Wismutoxid,
25 bis 35 Mol-% Siliciumdioxid,
25 bis 40 Mol-% Kupferoxid
0 bis 25 Mol-% Oxide weiterer Metalle.

2. Keramisches Lot nach Anspruch 1, wobei die weiteren Metalle Kobalt, Nickel und Eisen darstellen.

3. Keramisches Lot nach Anspruch 1, bestehend aus 30 bis 40 Mol-% Wismutoxid,
25 bis 35 Mol-% Siliciumdioxid,
30 bis 40 Mol-% Kupferoxid.

4. Keramisches Lot nach Anspruch 3, bestehend aus
32 bis 36 Mol-% Wismutoxid,
25 bis 34 Mol-% Siliciumdioxid,
32 bis 36 Mol-% Kupferoxid.

5. Verwendung des Lots nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Verbinden von zwei Teilen aus Aluminiumoxid und/oder Zir koniumoxid.